KR101693599B1 - Method for manufacturing zeolite membrane - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제올라이트 분리막 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 목적을 달성하기 위한 제올라이트 분리막 제조 방법은, 제올라이트의 원료를 혼합하여 졸 형태의 제올라이트 수열용액을 제조하는 제올라이트 수열용액 제조 단계; 제올라이트 종결정을 다공성 지지체의 표면에 부착하는 종결정 부착 단계; 제올라이트 졸 입자를 상기 제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체의 표면에 코팅하는 졸 입자 코팅 단계; 및 상기 제올라이트 수열용액이 채워진 수열반응기에 상기 졸 입자가 코팅된 다공성 지지체를 담지하고 수열 처리하여 제올라이트층을 형성시키는 층 형성 단계;를 포함하며, 상기 졸 입자 코팅 단계가, 상기 제올라이트 수열용액의 일부를 발취하여 물에 희석시킨 뒤에 상기 제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체의 표면에 희석된 수열용액을 가압 코팅하여 수행되는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a zeolite separation membrane production method. A method for preparing a zeolite separation membrane for achieving the object of the present invention comprises the steps of: preparing a zeolite hydrothermal solution to prepare a zeolite hydrothermal solution in the form of a zeolite by mixing raw materials of zeolite; Attaching a zeolite seed crystal to the surface of the porous support; Coating a zeolite sol particle on the surface of the porous support having the zeolite seed crystal attached thereto; And a layer forming step of forming a zeolite layer by supporting a porous support coated with the sol particles on a hydrothermal reactor filled with the zeolite hydrothermal solution and hydrothermally treating the zeolite layer, Is diluted with water and then pressurized and coated with a hydrothermal solution diluted on the surface of the porous support on which the zeolite seed crystal is adhered.
Description
본 발명은 제올라이트 분리막 제조 방법 및 이에 의해 제조된 제올라이트 분리막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다공성 지지체의 표면 위에 제올라이트 종결정을 부착한 다음 제올라이트 수열용액의 졸 입자 코팅한 다공성 지지체를 수열 처리하여 제올라이트 분리막을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 제올라이트 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a zeolite separation membrane production method and a zeolite separation membrane produced thereby, and more particularly, to a zeolite separation membrane having zeolite seed crystals adhered on the surface of a porous support and then hydrothermally treating the zeolite- And a zeolite separation membrane produced thereby.
제올라이트(zeolite)는 SiO4 와 AlO4의 사면체가 기하학적 형태로 결합하여 규칙적인 삼차원적 골격 구조를 갖는 알루미나-실리카의 결정분자체로, 상기 사면체들은 산소를 서로 공유하여 연결되며 골격은 홈(channel)을 갖고 또한 서로 연결된 공동(cavity)을 갖는 특징이 있다. 다른 알루미노규산염 (aluminosilicate)의 결정에 비하여 공동이 크고, 이온교환성이 우수하기 때문에 촉매, 흡착제, 분자체, 이온교환제 등 다양한 용도로 사용되고 있다.Zeolite is a crystalline molecular sieve of alumina-silica having a regular three-dimensional skeleton structure in which tetrahedrons of SiO 4 and AlO 4 are bonded geometrically, and the tetrahedrons are connected by sharing oxygen and the skeleton is connected to a channel ) And a cavity connected to each other. Compared to other aluminosilicate crystals, they have a large cavity and are excellent in ion exchange properties, and thus are used in various applications such as catalysts, adsorbents, molecular sieves, and ion exchangers.
최근에는 판형 또는 관형 다공성 α-Al2O3 또는 스테인레스 스틸(stainless steel) 지지체 표면에 제올라이트 분리층을 코팅하여 제올라이트 분리막을 제조하고 있으며, 이러한 제올라이트 분리막은 에너지, 환경, 화학, 생명의학 분야 등에서 유효물질 분리 공정에 사용되거나 촉매와 혼성화하여 유효물질 합성을 증진시키는 막반응 공정에 널리 이용 기대되고 있으며, 그 중요성이 점점 증가되고 있는 추세이다.Recently, a zeolite separation membrane is prepared by coating a zeolite separation layer on the surface of a plate or tubular porous α-Al 2 O 3 or a stainless steel support. Such a zeolite separation membrane is effective in energy, environment, chemistry, It is expected to be widely used in a membrane reaction process that is used in a material separation process or hybridizes with a catalyst to promote synthesis of an effective substance, and its importance is increasing.
도 1에서 보는바와 같이, 종래의 제올라이트 분리막은 다공성 지지체의 표면에 제올라이트 종결정을 부착하고, 종결정이 부착된 다공성 지지체를 제올라이트 수열용액에 담지하고 수열 처리하여 제조되는 것이 일반적이었다.As shown in FIG. 1, the conventional zeolite separation membranes are generally manufactured by attaching a zeolite seed crystal to the surface of a porous support, supporting the porous support with seed crystals in a zeolite hydrothermal solution, and hydrothermally treating the zeolite separation membrane.
한편, 종래의 제올라이트 분리막 제조 방법에 의해 제조된 제올라이트 분리막은 수열 처리 하는 동안 제올라이트 층으로 형성되는 제올라이트 종결정의 성장을 제어하기가 어려워서 제올라이트 분리막의 두께와 균일도를 제어가 어려울 뿐만 아니라 이에 따라 대면적으로 제조하기 어렵다는 단점이 있었다.On the other hand, it is difficult to control the thickness and uniformity of the zeolite separation membrane because it is difficult to control the growth of zeolite zeolite formed as a zeolite layer during hydrothermal treatment in the conventional zeolite separation membrane production method, It has a drawback that it is difficult to manufacture.
본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 다공성 지지체의 표면 위에 제올라이트 종결정을 부착한 다음 제올라이트 수열용액의 졸 입자 코팅한 다공성 지지체를 수열 처리함으로써 균일한 형태 및 대면적으로 제조 가능한 제올라이트 분리막 제조 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems of the prior art by providing a porous support having zeolite seed crystals adhered on the surface of a porous support and then hydrothermally treating the zeolite- And to provide a method for producing a zeolite separation membrane.
본 발명의 다른 목적은 상기 제올라이트 분리막 제조 방법에 의해 제조된 제올라이트 분리막을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a zeolite separation membrane produced by the method for producing a zeolite separation membrane.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제올라이트 분리막 제조 방법은, 제올라이트의 원료를 혼합하여 졸 형태의 제올라이트 수열용액을 제조하는 제올라이트 수열용액 제조 단계; 제올라이트 종결정을 다공성 지지체의 표면에 부착하는 종결정 부착 단계; 제올라이트 졸 입자를 상기 제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체의 표면에 코팅하는 졸 입자 코팅 단계; 및 상기 제올라이트 수열용액을 수열반응기에 넣고 상기 졸 입자가 코팅된 다공성 지지체를 담지하고 수열 처리하여 제올라이트 층을 형성시키는 층 형성 단계;를 포함한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a zeolite separation membrane manufacturing method comprising: preparing a zeolite hydrothermal solution to prepare a zeolite hydrothermal solution by mixing zeolite raw materials; Attaching a zeolite seed crystal to the surface of the porous support; Coating a zeolite sol particle on the surface of the porous support having the zeolite seed crystal attached thereto; And a layer forming step of putting the zeolite hydrothermal solution into a hydrothermal reactor, carrying a porous support coated with the sol particles, and hydrothermally treating the zeolite layer to form a zeolite layer.
상기 제올라이트 수열용액은 나노크기 졸 입자를 포함한 나노 졸 형태인 것이 바람직하며, 상기 제올라이트 수열용액의 일부를 발취하여 그에 포함된 나노 크기의 졸 입자를 상기 제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체의 표면에 코팅할 수 있다.The zeolite hydrothermal solution is preferably in the form of a nano-sol containing nano-sized zeolite particles. A part of the zeolite hydrothermal solution is taken out and nano-sized zeolite particles contained therein are coated on the surface of the porous support having zeolite seed crystals can do.
상기 제올라이트 수열용액은 알루미나계 원료와 실리카계 원료의 혼합물 또는 상기 혼합물과 수산화나트륨의 혼합물을 물에 용해시킨 후 혼합하여 제조될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 제올라이트 분리막 제조 분야에서 공지된 제올라이트 수열용액이라면 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')가 적절하게 선택할 수 있다.The zeolite hydrothermal solution may be prepared by dissolving a mixture of an alumina-based raw material and a silica-based raw material, or a mixture of the mixture and sodium hydroxide in water, followed by mixing. However, the zeolite hydrothermal solution is not limited to the zeolite separation membrane, and any zeolite hydrothermal solution known to those skilled in the art may be appropriately selected.
상기 알루미나계 원료는 알루민산나트륨(sodium aluminate), 수산화알루미늄(aluminium hydroxide), 황산알루미늄, 질산 알루미늄, 염화알루미늄, 콜로이달 알루미나, 알루미나(alumina) 분말 및 알루미늄알콕사이드(aluminum alkoxide) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The alumina-based raw material may be at least one selected from the group consisting of sodium aluminate, aluminum hydroxide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum chloride, colloidal alumina, alumina powder and aluminum alkoxide .
상기 실리카계 원료는 물유리(water glass), 규산나트륨(sodium silicate), 실리카(silica) 분말, 규산, 콜로이달 실리카, 규소알콕사이드 및 실리콘알콕사이드(silicon alkoxide) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The silica-based raw material may include at least one of water glass, sodium silicate, silica powder, silicic acid, colloidal silica, silicon alkoxide, and silicon alkoxide.
상기 제올라이트 수열용액은 테트라프로필암모늄브로마이드 및 테트라부틸암모늄브로마이드 등의 결정화 촉진제를 함유할 수 있다.The zeolite hydrothermal solution may contain crystallization promoters such as tetrapropylammonium bromide and tetrabutylammonium bromide.
상기 다공성 지지체는 세라믹, 유기 고분자 또는 다공성 금속일 수 있다. 상기 세라믹은 멀라이트, 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 또는 실리콘카바이드 등과 같은 재료일 수 있으며, 금속으로는 스테인리스 스틸, 소결된 니켈 또는 소결된 니켈과 철의 혼합물일 수 있다.The porous support may be a ceramic, an organic polymer, or a porous metal. The ceramic may be a material such as mullite, alumina, silica, titania, zirconia or silicon carbide, and the metal may be a mixture of stainless steel, sintered nickel or sintered nickel and iron.
상기 다공성 지지체의 평균 세공 지름은 0.1 내지 20㎛일 수 있다. 평균 세공 지름이 0.1㎛ 미만이면 제올라이트 종결정이 다공성 지지체의 세공 내에 도입되기 어려워 다공성 지지체에 형성되는 제올라이트 층이 박리되기 쉬워지며, 평균 세공 지름이 20㎛ 초과이면 제올라이트 층이 두꺼울 뿐만 아니라 다공성 지지체에 형성되는 제올라이트 층에 핀 홀 등의 결함이 생기는 문제가 발생할 수 있다.The average pore diameter of the porous support may be 0.1 to 20 탆. If the average pore diameter is less than 0.1 mu m, the zeolite seed crystals are less likely to be introduced into the pores of the porous support, so that the zeolite layer formed on the porous support is easily peeled. If the average pore diameter exceeds 20 mu m, not only the zeolite layer is thick, A defect such as a pinhole may occur in the zeolite layer to be formed.
상기 다공성 지지체의 기공률은 30 내지 50%일 수 있다. 기공률이 30% 미만이면 가스 및 액체 투과 속도가 작아져 투과 유속이 낮아지며, 기공률이 50% 초과이면 다공성 지지체의 기계적 강도가 낮아진다.The porosity of the porous support may be 30 to 50%. If the porosity is less than 30%, the gas and liquid permeation rate becomes small and the permeation flux becomes low. If the porosity exceeds 50%, the mechanical strength of the porous support becomes low.
상기 다공성 지지체의 형상은 관 모양, 통 모양, 중공사 모양, 모세관 모양, 판 모양, 허니콤 모양 또는 펠릿 모양일 수 있으며, 상기 다공성 지지체의 형상은 통상의 기술자가 제올라이트 분리막의 용도를 고려하여 적절하게 선택할 수 있다.The porous support may be in the shape of a tube, a tube, a hollow fiber, a capillary, a plate, a honeycomb, or a pellet. The shape of the porous support may be suitably selected in consideration of the use of the zeolite separation membrane You can choose to.
상기 제올라이트 종결정은 평균 입경이 50㎚ 내지 1㎛일 수 있다. 평균 입경이 50㎚ 미만이면 제올라이트 종결정 합성이 어려울 뿐만 아니라 제올라이트 종결정이 압력을 가하는 종결정 부착 단계에서 다공성 지지체를 대부분 통과하게 되어 다공성 지지체 표면 및 내부에 부착되는 양이 적어 균일하고 목적한 두께의 제올라이트 층을 확보하는 것이 어려우며, 평균 입경이 1㎛ 초과되면 제올라이트 종결정이 다공성 지지체 표면에 과도하게 부착되거나 불균일하게 코팅되어 제올라이트 층이 박리되거나 불균일하게 되는 문제가 발생할 수 있다.The zeolite seed crystal may have an average particle diameter of 50 nm to 1 탆. If the average particle diameter is less than 50 nm, it is difficult to synthesize the zeolite seed crystals. In addition, since the zeolite seed crystals pass most of the porous support in the step of adhering the seeds to which pressure is applied, It is difficult to ensure the zeolite layer of the zeolite seed crystals. If the average particle size exceeds 1 mu m, the zeolite seed crystals may excessively adhere to the surface of the porous support or may be unevenly coated, resulting in peeling or nonuniformity of the zeolite layer.
상기 제올라이트 종결정은 목적하는 제올라이트 분리막과 동종 또는 결정 구조가 유사한 이종일 수 있다.The zeolite seed crystals may be of the same species or a crystal structure similar to the desired zeolite separation membrane.
상기 제올라이트 종결정을 다공성 지지체에 부착하는 방법으로는, 다공성 지지체를 제올라이트 종결정 슬러리에 침지시키는 딥 코트법, 제올라이트 종결정 슬러리를 다공성 지지체에 스프레이 분무하는 스프레이 코트법, 제올라이트 종결정 슬러리를 다공성 지지체에 통과시키는 여과법 또는 제올라이트 종결정 슬러리를 다공성 지지체에 진공을 걸어서 통과시키는 진공여과법일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 기술자가 제올라이트 분리막 제조 분야에서 공지된 제올라이트 종결정을 지지체에 부착하는 방법이라면 적절하게 선택할 수 있다.Examples of the method for attaching the zeolite seed crystals to the porous support include a dip coating method in which the porous support is dipped in the zeolite seed crystal slurry, a spray coat method in which the zeolite seed crystal slurry is sprayed onto the porous support, Or a vacuum filtration method in which a zeolite seed crystal slurry is vacuum-passed through a porous support. However, the present invention is not limited thereto, and any method can be appropriately selected as long as a person skilled in the art can attach the zeolite seed crystal known in the field of zeolite membrane production to a support.
상기 제올라이트 종결정을 다공성 지지체에 부착한 후, 상기 제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체를 건조시킬 수 있으며, 이를 통해 종결정의 부착상태를 보다 강고히 할 수 있다.After attaching the zeolite seed crystals to the porous support, the porous support having the zeolite seed crystals can be dried, thereby enhancing the adhesion state of the seed crystals.
상기 졸 입자 또는 나노크기 졸 입자를 상기 제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체의 표면에 코팅하는 단계는 가압코팅(pressurized coating)법 또는 봉입침지(sealed dip-coating)법에 의해 이루어질 수 있으나, 가압코팅법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.The step of coating the sol particles or nano-sized sol particles on the surface of the porous support having the zeolite seed crystals may be performed by a pressurized coating method or a sealed dip-coating method, It is preferable that it is carried out by a method.
종래의 제올라이트 분리막 제조 방법은 제올라이트 종결정을 지지체에 부착한 다음 곧바로 수열용액에 담지하고 수열 처리하여 제올라이트 분리막을 제조하였으나, 본 발명은 제올라이트 종결정을 다공성 지지체에 부착한 다음 다공성 지지체에 부착된 제올라이트 종결정 위에 제올라이트 수열용액내의 졸 입자, 특히 나노 졸 형태의 제올라이트 수열용액 내의 나노크기 졸 입자를 코팅하는 단계를 더 거친 후 수열 처리하는 것을 특징으로 한다.In the conventional zeolite separation membrane manufacturing method, the zeolite seed crystals are attached to a support and then immediately carried on a hydrothermal solution to hydrothermally treat the zeolite separation membrane. However, the present invention is characterized in that zeolite seed crystals are attached to a porous support, A step of coating the zeolite zeolite sol particles in the zeolite hydrothermal solution, particularly the nano-sized zeolite zeolite particles in the nanosol form, on the seed crystal, and then hydrothermally treating the nanosize zeolite particles.
이에 따라 후술할 수열처리에 의해 제올라이트 층을 형성함에 있어 제올라이트 층의 두께를 상기 코팅층의 두께로 조절할 수 있어 얇은 두께의 층을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 균일한 형태의 제올라이트 분리막을 형성할 수 있다. 또한 졸 입자 코팅을 통해 대면적의 제올라이트 분리막을 형성할 수 있다.Accordingly, in forming the zeolite layer by the heat treatment to be described later, the thickness of the zeolite layer can be adjusted to the thickness of the coating layer, so that a thin layer can be formed and a uniform zeolite separation membrane can be formed. In addition, zeolite separation membranes with a large area can be formed by coating the sol particles.
상기 수열 처리는 60 내지 200℃의 온도에서 12 내지 48시간 동안 이루어질 수 있다. 제올라이트 수열용액의 온도를 60℃미만 및 유지시간이 12시간 미만인 경우에는 충분한 제올라이트층이 형성되지 않아 제올라이트 분리막의 분리능이 저하될 수 있다.The hydrothermal treatment may be performed at a temperature of 60 to 200 DEG C for 12 to 48 hours. When the temperature of the zeolite hydrothermal solution is less than 60 ° C and the holding time is less than 12 hours, a sufficient zeolite layer is not formed and the separation performance of the zeolite separation membrane may be deteriorated.
그리고 제올라이트 수열용액의 온도를 200℃초과 및 유지시간이 48시간 초과인 경우에는 제올라이트 분리막 표면에 목적하지 않는 제올라이트 상이 형성되거나 분리막의 두께가 두꺼워져 제올라이트 분리막의 분리능이 저하될 수 있다. 다만, 수열처리는 예시한 조건에 한정되는 것은 아니며, 원하는 제올라이트 종류(type)에 따라서 제올라이트 분리막 제조 환경을 고려하여 통상의 기술자가 적절하게 선택할 수 있다.If the temperature of the zeolite hydrothermal solution is more than 200 ° C and the retention time is more than 48 hours, undesired zeolite phase may be formed on the surface of the zeolite separation membrane, or the separation membrane may be thickened and the separation capability of the zeolite separation membrane may be deteriorated. However, the hydrothermal treatment is not limited to the conditions described above, and it may be suitably selected by a person skilled in the art in consideration of the zeolite membrane production environment according to the desired zeolite type.
또한, 층 형성 단계 이후에 제올라이트 층이 형성된 제올라이트 분리막을 세척하는 분리막 세척 단계를 더 포함할 수 있으며, 분리막 세척 단계 후에는 세척된 제올라이트 분리막을 건조하는 분리막 건조 단계를 수행하는 것이 바람직하다.In addition, the method may further include a separation membrane cleaning step of cleaning the zeolite separation membrane having the zeolite layer formed thereon after the layer formation step. Preferably, the separator membrane drying step is performed after the separation membrane washing step to dry the washed zeolite separation membrane.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 제올라이트 분리막은 상기 본 발명의 제올라이트 분리막 제조 방법으로 제조된다. The zeolite separation membrane for achieving the other object is produced by the method for producing a zeolite separation membrane of the present invention.
상기 제올라이트 분리막은 제올라이트 층의 두께가 100nm에서 10㎛일 수 있다.The thickness of the zeolite layer may be from 100 nm to 10 탆.
본 발명은 종래의 제올라이트 분리막 제조방법과 달리, 제올라이트 종결정 이 부착된 다공성 지지체 표면에 졸 형태의 제올라이트 수열용액으로부터 분리한 졸 입자, 특히 나노크기 졸 입자를 코팅한 후 수열 처리하여 제올라이트 층을 형성함으로써 균일한 형태의 제올라이트 층을 가진 제올라이트 분리막 및 대면적의 제올라이트 분리막을 제조할 수 있는 효과가 있다.The present invention differs from the conventional zeolite separation membrane manufacturing method in that a zeolite layer is formed by coating zeolite particles, particularly nano-sized zeolite particles, isolated from a zeolite hydrothermal solution in the form of a sol on the surface of a porous support having zeolite seed crystals, A zeolite separation membrane having a uniform zeolite layer and a zeolite separation membrane having a large area can be produced.
또한 졸 입자의 코팅층의 두께에 따라 제올라이트 층의 두께를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 나노크기 졸 입자를 코팅하여 제올라이트 층의 두께가 얇은 제올라이트 분리막을 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible to control the thickness of the zeolite layer according to the thickness of the coating layer of the zeolite particles, and to coat the nano-sized zeolite particles to produce a zeolite separation membrane having a thin zeolite layer.
도 1은 종래의 제올라이트 분리막 제조 방법을 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 제올라이트 분리막 제조 방법을 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 3은 본 실시예에서 사용된 NaA 종결정의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 실시예에서 사용된 NaA 제올라이트 종결정의 입자크기 분포 자료이다.
도 5는 본 실시예에서 사용된 종결정 코팅을 위한 진공여과장치 사진이다.
도 6은 본 실시예에 따라 종결정이 코팅된 α-알루미나 지지체 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 실시예에서 사용된 나노 크기 졸 입자 코팅에 사용된 가압코팅장치 사진이다.
도 8은 실시예 1로 얻어진 NaA 제올라이트 분리막의 파면에 대한 주사전자현미경 이미지이다.
도 9는 실시예 2로 얻어진 NaA 제올라이트 분리막의 파면에 대한 주사전자현미경 이미지이다.
도 10은 비교예 1로 얻어진 NaA 제올라이트 분리막의 파면에 대한 주사전자현미경 이미지이다.
도 11은 실시예 1과 실시예 2 및 비교예 1에 의해 합성된 NaA 제올라이트 분리막의 X-선 회절무늬를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예 1과 비교예 1에 의해 합성된 NaA 제올라이트 분리막의 알코올 투과증발 공정에서의 유속의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1과 비교예 1에 의해 합성된 NaA 제올라이트 분리막의 알코올 투과증발 공정에서의 분리계수의 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic view showing a conventional method for producing a zeolite separation membrane.
FIG. 2 is a schematic view showing a method for producing a zeolite separation membrane according to the present invention.
3 is a scanning electron micrograph of NaA termination definition used in this embodiment.
Fig. 4 is the NaA zeolite termination definition particle size distribution data used in this example.
5 is a photograph of a vacuum filtration apparatus for the seed crystal coating used in this embodiment.
6 is a scanning electron micrograph of the surface of an a-alumina support coated with seed crystals according to this embodiment.
7 is a photograph of a pressurization coating apparatus used for coating nano-sized sol particles used in this embodiment.
8 is a scanning electron microscope image of the wavefront of the NaA zeolite separation membrane obtained in Example 1. Fig.
9 is a scanning electron microscope image of the wavefront of the NaA zeolite separation membrane obtained in Example 2. Fig.
10 is a scanning electron microscope image of the wavefront of the NaA zeolite separation membrane obtained in Comparative Example 1. Fig.
11 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the NaA zeolite separation membrane synthesized by Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. FIG.
12 is a graph showing a change in the flow rate in the alcohol permeation evaporation process of the NaA zeolite separation membrane synthesized by Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
13 is a graph showing the change in the separation factor in the alcohol permeation evaporation process of the NaA zeolite membrane synthesized by Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
이하에 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이다. 다음에서 설명되는 실시예들은 여러 가지 다양한 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 기술적 사상을 명확히 전달하기 위하여 제공되는 것이다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below can be modified into various forms, and the scope of the present invention is not limited to the following embodiments. The embodiments of the present invention are provided to clearly convey the technical idea of the present invention to a person having ordinary skill in the art.
실시예Example 1: One: NaANaA 제올라이트 분리막 A 제조 Preparation of zeolite membrane A
도 2는 본 발명의 제올라이트 분리막을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 그림이다.FIG. 2 is a schematic view showing a method for producing the zeolite separation membrane of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 제올라이트 분리막을 제조하기 위한 제올라이트 수열용액은 알루민산나트륨, 물유리, 수산화나트륨 및 증류수를 원료로 하여 1Al2O3·2SiO2·4.5H2O·600H2O 몰비로 혼합하고, 상온에서 24시간 혼합하면서 숙성시킴으로써, 나노 졸 형태의 제올라이트 수열용액을 제조하였다.Zeolite hydrothermal solution for manufacturing a zeolite membrane according to one embodiment of the present invention is a sodium aluminate, sodium silicate, and sodium hydroxide and distilled water as the raw material 1Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 4.5H 2 O · 600H 2 O molar ratio And aged while mixing at room temperature for 24 hours to prepare a hydrothermal solution of a zeolite in the form of a nano sol.
다음으로 실험실에서 합성된 직경 100nm 이하의 NaA 제올라이트 종결정을 평균기공경 0.1μm, 평균 기공율 35%의 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 진공여과(vacuum-assisted filtration) 방법을 사용하여 부착하였다. 도 3은 본 실시예에서 사용된 NaA 제올라이트 종결정의 주사전자현미경 사진이고, 도 4는 이미지 분석기를 이용한 종결정의 입도 분포를 나타내는 사진이다. 또한, 도 5는 본 실시예에서 종결정 코팅에 사용한 진공여과 장치 사진이고, 도 6은 종결정이 코팅된 α-알루미나 지지체 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다. 진공여과에 의한 종결정 부착 공정은 지지체 내부에 진공도 약 1torr 이하를 유지하면서 1시간 동안 여과시켜 진행하였다. Next, a NaA zeolite seed crystal having a diameter of 100 nm or less synthesized in a laboratory was attached to the surface of a porous α-alumina support having an average pore size of 0.1 μm and an average porosity of 35% using a vacuum-assisted filtration method. FIG. 3 is a scanning electron micrograph of the NaA zeolite termination definition used in the present embodiment, and FIG. 4 is a photograph showing the grain size distribution of the final definition using an image analyzer. 5 is a photograph of a vacuum filtration apparatus used for seed crystal coating in this embodiment, and FIG. 6 is a scanning electron microscope photograph of the surface of an α-alumina support coated with seed crystals. The process of adhering the seed crystals by vacuum filtration was carried out by filtration for 1 hour while maintaining the degree of vacuum of about 1 torr or less inside the support.
이후에, 수열용액 속의 나노 크기 졸 입자를 가압코팅(pressurized coating) 방법으로 종결정이 부착된 지지체 표면에 코팅하였다.Thereafter, the nanosized zeolite particles in the hydrothermal solution were coated on the surface of the support with the seed crystals by a pressurized coating method.
먼저, 제올라이트 수열용액 일부를 발취하여 수열용액이 2%가 되도록 물에 희석하였다. 희석된 수열용액 속의 나노 크기 졸 입자를 3bar의 압력으로 2시간동안 종결정이 부착된 지지체 표면에 가압코팅 하였다. 도 7은 본 실시예에서 사용된 가압코팅 장치의 사진이며, 가스 압력조절기가 장착된 고압 질소 탱크를 이용하여 가압하였다. First, a part of the zeolite hydrothermal solution was taken out and diluted with water so that the hydrothermal solution became 2%. The nanosize sol particles in the diluted hydrothermal solution were pressure coated onto the support surface with seed crystals at a pressure of 3 bar for 2 hours. FIG. 7 is a photograph of the pressure coating apparatus used in this embodiment, which was pressurized using a high-pressure nitrogen tank equipped with a gas pressure regulator.
제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체 표면을 나노 졸 입자로 코팅한 다음, 제올라이트 수열용액이 채워진 수열반응기에 나노 졸 입자로 코팅된 다공성 지지체를 담지하고 100℃에서 24시간 동안 수열 처리하여 제올라이트 층을 형성하였다.The surface of the porous support having the zeolite seed crystals was coated with the nanosized particles, and then a porous support coated with the nanosized particles was supported on the hydrothermal reactor filled with the zeolite hydrothermal solution and hydrothermally treated at 100 ° C for 24 hours to form a zeolite layer Respectively.
이렇게 제조된 제올라이트 분리막을 제올라이트 분리막 A로 명명하였다.The zeolite membrane thus prepared was named zeolite membrane A.
실시예Example 2: 2: NaANaA 제올라이트 분리막 B 제조 Preparation of zeolite membrane B
상기 실시예 1의 나노 크기 졸 코팅 단계에서 물로 희석없이 수열용액 100%로 코팅하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제올라이트 분리막을 제조하였다. A zeolite separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the nanosize sol coating step of Example 1 was coated with 100% hydrothermal solution without dilution with water.
이렇게 제조된 제올라이트 분리막을 제올라이트 분리막 B로 명명하였다.The thus prepared zeolite separation membrane was named zeolite separation membrane B.
비교예Comparative Example 1: 종래 방법에 의한 1: NaANaA 제올라이트 분리막 C 제조 Manufacture of zeolite membrane C
도 1에 나타낸 종래의 제올라이트 분리막 제조 방법에 의해 제올라이트 분리막을 제조하였으며, 더욱 구체적으로는 상기 실시예 1과 2의 제올라이트 수열용액 내의 나노 크기 졸 입자를 제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체 표면에 코팅 단계를 제외하고는, 동일한 방법 및 조건으로 제올라이트 분리막을 제조하였다.The zeolite separation membrane was prepared by the conventional zeolite separation membrane manufacturing method shown in FIG. 1, and more specifically, the nanosized zeolite particles in the zeolite hydrothermal solution of Examples 1 and 2 were coated on the surface of the porous support having zeolite seed crystals , A zeolite separation membrane was produced by the same method and under the same conditions.
이렇게 제조된 제올라이트 분리막을 제올라이트 분리막 C로 명명하였다.The thus prepared zeolite separation membrane was named zeolite separation membrane C.
실험예Experimental Example 1: One: 실시예와Examples 비교예의Comparative example 재료적Materialistic 특성 비교 Feature comparison
도 8과 도 9는 실시예 1과 실시예 2에서 합성된 제올라이트 분리막 A와 B의 주사전자현미경 사진이고, 도 10은 비교예 1에서 합성된 제올라이트 분리막 C의 주사전자현미경 사진이다. 수열용액 내의 졸 입자를 코팅한 분리막 A와 B는 종래 기술에 의해 합성된 분리막 C에 비하여 분리층이 두껍고 두께가 균일하였으며 지지체와 분리층이 서로 맞물린 구조를 갖는 중간층(intermediate layer)이 잘 발달하였으며, 또한 어떠한 균열도 발견할 수가 없었다. 그러나 종래 기술로 합성된 분리막 C의 경우 분리층이 얇고 불균일하며 중간층이 거의 발달하지 않았고 분리층에 일부 균열들이 발생함을 알 수 있다.FIGS. 8 and 9 are SEM micrographs of the zeolite separation membranes A and B synthesized in Examples 1 and 2, and FIG. 10 is a scanning electron microscopic photograph of the zeolite separation membranes C synthesized in Comparative Example 1. FIG. Separators A and B coated with sol particles in the hydrothermal solution have a well developed intermediate layer having a thick separation layer, a uniform thickness, and a structure in which the support and the separation layer are meshed with each other as compared with the separation membrane C synthesized by the prior art , And no cracks were found. However, in the case of the separation membrane C synthesized by the prior art, it can be seen that the separation layer is thin and uneven, the intermediate layer is hardly developed, and some cracks are generated in the separation layer.
도 11은 실시예 1과 실시예 2 및 비교예 1에 의하여 합성된 제올라이트 분리막 A, B, C에 대한 X-선 회절무늬이다. 주사전자현미경 사진에서도 알 수 있듯이 실시예 1과 실시예 2에 따라서 합성된 분리막 A, B의 경우 제올라이트 상의 회절피크가 명확히 나타난 반면, 비교예 1에 의해 합성된 분리막 C의 경우 제올라이트 상의 피크가 약하게 나타났다.11 is an X-ray diffraction pattern for the zeolite separation membranes A, B and C synthesized by Example 1, Example 2 and Comparative Example 1. FIG. As can be seen from scanning electron microscope photographs, the zeolite phase diffraction peaks were clearly observed in the membranes A and B synthesized according to Example 1 and Example 2. On the other hand, in the membrane C synthesized by Comparative Example 1, the zeolite phase peak was weak appear.
실험예Experimental Example 2: 투과증발 공정에 의한 에탄올 탈수 거동 2: Dehydration behavior of ethanol by pervaporation process
실시예 1과 비교예 1에 의해서 합성된 제올라이트 분리막 A와 C의 90% EtOH 10% H2O 혼합용매에 대한 에탄올 탈수거동을 70℃에서 투과증발(pervaporation)법으로 고찰하였다. 도 12는 투과증발 시간에 따른 총 투과유속을 나타낸 그래프이며, 도 13은 투과증발 시간에 따른 H2O/EtOH 분리계수 변화를 나타낸 그래프이다. 투과 유속은 비슷하였으나 분리막 A가 분리막 C에 비하여 우수한 분리 계수를 나타내는 것을 확인할 수 있다.The ethanol dehydration behavior of the zeolite membranes A and C prepared by Example 1 and Comparative Example 1 on a 90
실험예 1과 2로부터 본 발명에서 개시한 제올라이트 분리막 합성 방법이 졸래의 제올라이트 분리막 합성 방법에 비하여 분리층이 균일하고 분리성능이 우수한 제올라이트 분리막 합성에 유리함을 확인할 수 있다.From Examples 1 and 2, it can be seen that the zeolite separation membrane synthesis method disclosed in the present invention is advantageous in the synthesis of a zeolite separation membrane having a uniform separation layer and excellent separation performance, compared with the zeolite separation membrane synthesis method.
Claims (8)
제올라이트 종결정을 다공성 지지체의 표면에 부착하는 종결정 부착 단계;
제올라이트 졸 입자를 상기 제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체의 표면에 코팅하는 졸 입자 코팅 단계; 및
상기 제올라이트 수열용액이 채워진 수열반응기에 상기 졸 입자가 코팅된 다공성 지지체를 담지하고 수열 처리하여 제올라이트층을 형성시키는 층 형성 단계;를 포함하며,
상기 졸 입자 코팅 단계가, 상기 제올라이트 수열용액의 일부를 발취하여 물에 희석시킨 뒤에 상기 제올라이트 종결정이 부착된 다공성 지지체의 표면에 희석된 수열용액을 가압 코팅하여 수행되는 것을 특징으로 하는 제올라이트 분리막 제조 방법.
Preparing a zeolite hydrothermal solution to prepare a zeolite hydrothermal solution in a sol form by mixing raw materials of zeolite;
Attaching a zeolite seed crystal to the surface of the porous support;
Coating a zeolite sol particle on the surface of the porous support having the zeolite seed crystal attached thereto; And
Forming a zeolite layer by supporting a porous support coated with the sol particles in a hydrothermal reactor filled with the zeolite hydrothermal solution and hydrothermally treating the porous support,
Wherein the step of coating the sol particles is carried out by extracting a part of the zeolite hydrothermal solution and diluting it with water and then pressurizing and coating a diluted hydrothermal solution on the surface of the porous support having the zeolite seed crystals attached thereto. Way.
상기 제올라이트 수열용액은 나노크기 졸 입자를 포함한 나노 졸 형태인 것을 특징으로 하는 제올라이트 분리막 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the zeolite hydrothermal solution is in the form of a nano sol containing nanosized zeolite particles.
상기 제올라이트 수열용액은 알루미나계 원료와 실리카계 원료의 혼합물 또는 상기 혼합물과 수산화나트륨의 혼합물을 물에 용해시킨 후 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 제올라이트 분리막 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the zeolite hydrothermal solution is prepared by dissolving a mixture of an alumina-based raw material and a silica-based raw material, or a mixture of the mixture and sodium hydroxide in water, and then mixing.
상기 알루미나계 원료는 알루민산나트륨, 수산화알루미늄, 황산알루미늄, 질산 알루미늄, 염화알루미늄, 콜로이달 알루미나, 알루미나 분말 및 알루미늄알콕사이드 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 제올라이트 분리막 제조 방법.
The method of claim 3,
Wherein the alumina-based raw material comprises at least one of sodium aluminate, aluminum hydroxide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum chloride, colloidal alumina, alumina powder and aluminum alkoxide.
상기 실리카계 원료는 물유리, 규산나트륨, 실리카 분말, 규산, 콜로이달 실리카, 규소알콕사이드 및 실리콘알콕사이드 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 제올라이트 분리막 제조 방법.
The method of claim 3,
Wherein the silica-based raw material comprises at least one of water glass, sodium silicate, silica powder, silicic acid, colloidal silica, silicon alkoxide, and silicon alkoxide.
상기 다공성 지지체는 세라믹, 유기 고분자 또는 금속인 것을 특징으로 하는 제올라이트 분리막 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the porous support is a ceramic, an organic polymer, or a metal.
상기 층 형성 단계 후 제올라이트 층이 형성된 제올라이트 분리막을 세척하는 분리막 세척 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제올라이트 분리막 제조 방법.
The method according to claim 1,
And removing the zeolite separation membrane having the zeolite layer formed thereon after the layer formation step.
상기 분리막 세척 단계 후 세척된 제올라이트 분리막을 건조하는 분리막 건조 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제올라이트 분리막 제조 방법.
The method of claim 7,
Further comprising a separating membrane drying step of drying the washed zeolite separation membrane after the separation membrane washing step.
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