KR102060501B1 - Synthesis method of energy reduction type zeolite using filtered waste liquid generated during synthesis of zeolite - Google Patents

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이창한
박종원
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부산가톨릭대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an energy-saving zeolite synthesis method of reusing filter waste fluid generated during zeolite synthesis and, more specifically, to an energy-saving zeolite synthesis method of reusing filter waste fluid generated during zeolite synthesis to have high crystallinity, enable mass production, constantly maintain quality, and have high economic efficiency by increasing an alkali content by collecting filter waste fluid and significantly shortening aging time and crystallization time. The present invention includes: a first step of forming a first workpiece through a thermal treatment by mixing an alkali material with coal fly ash including SiO_2 and Al_2O_3; a second step of dissolving the first workpiece in water and forming a second workpiece by mixing at least one of an aluminum source, a silica source, and a zeolite seed; a third step of forming a third workpiece by aging the second workpiece for 20-40°C for 1-5 hours; a fourth step of forming a fourth workpiece by crystalizing the third workpiece at 70-100°C for 1-5 hours through a hydrothermal reaction; and a fifth step of synthesizing zeolite by collecting the filter waste fluid generated when filtering after crystallization to the second step and re-aging and recrystallizing so that a weight ratio of the alkali material to the coal fly ash is 0.1 or more under a condition in which a molar ratio of SiO_2 to Al_2O_3 is 2.5.

Description

제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트의 합성방법{Synthesis method of energy reduction type zeolite using filtered waste liquid generated during synthesis of zeolite}Synthesis method of energy reduction type zeolite using filtered waste liquid generated during synthesis of zeolite}

본 발명은 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트의 합성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 여과폐액을 회수해 알칼리함량을 증가시켜 숙성시간 및 결정화시간을 획기적으로 단축시킴으로써, 결정화도가 높고 대량 생산이 가능하며 품질을 일정하게 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라 경제성이 높도록 하는 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트의 합성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for synthesizing an energy-saving zeolite using recycled filtrate generated during zeolite synthesis, and more particularly, by recovering the filtrate and increasing alkali content to drastically shorten the aging time and crystallization time. The present invention relates to a method for synthesizing an energy-reduced zeolite that reuses a filter waste fluid generated during zeolite synthesis, which enables high-volume, high-volume production, constant quality, and high economic efficiency.

급속한 산업화로 인해 에너지 수요가 증가되면서 석탄, 원자력, 신재생에너지와 같은 다양한 에너지원이 사용되고 있다. 산업 폐기물 재활용 차원에서 화력발전소에서 배출되는 석탄비산재와 같이 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)가 다량 함유된 폐기물을 원료로 사용하여 제올라이트를 합성하는 방법들이 최근 다수 개발되고 있다.As the demand for energy increases due to the rapid industrialization, various energy sources such as coal, nuclear power, and renewable energy are used. Recently, a number of methods for synthesizing zeolites using wastes containing a large amount of silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) as raw materials such as coal fly ash discharged from thermal power plants have been developed.

하지만 기존의 제올라이트 합성기술 중에서 가장 많이 사용되는 수열합성법과 용융된 석탄비산재를 물에 용해한 다음 상등액을 추출하여 합성하는 방법들로는 다양한 제올라이트를 대량 제조하기 힘든 문제점이 있었다.However, hydrothermal synthesis and molten coal fly ash, which are most used among the existing zeolite synthesis techniques, have a problem that it is difficult to mass-produce various zeolites by dissolving molten coal fly ash in water and then extracting the supernatant.

한 예로, "실리카 및 알루미나가 포함된 폐기물로부터 합성된 제올라이트(등록번호: 10-1138854)"의 경우 알칼리물질과의 혼합비가 높고 결정화시간이 오래 걸리는 문제점이 있고, 제올라이트 A 타입의 대량 생산이 힘든 문제점이 있었다.For example, the "zeolite synthesized from the waste containing silica and alumina (Registration No .: 10-1138854)" has a high mixing ratio with alkaline substances and takes a long crystallization time, and is difficult to mass-produce zeolite A type. There was a problem.

또 다른 예로, "화력발전소의 바닥재를 이용한 합성 제올라이트 제조방법(등록번호: 10-1602933)"의 경우 결정화 방해물질인 CaO를 제거함으로써 결정화도가 향상된 제올라이트를 생산할 수 있다고 하였지만, 폐기물이 유발되는 과정이 포함되어 공정이 복잡해 생산 기간이 길어지기 때문에 경제성이 아주 낮은 문제점이 있었다.In another example, "The method for manufacturing synthetic zeolite using the bottom ash of thermal power plant (Registration No .: 10-1602933)" said that it is possible to produce zeolite with improved crystallinity by removing CaO, which is a crystallization obstacle, There is a problem that the economic efficiency is very low because the process is complicated and the production period is longer.

따라서 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용하여 일정한 품질을 유지하고 경제성이 높은 제올라이트를 합성할 수 있는 새로운 기술개발 연구가 절실히 요구되는 시점이다.Therefore, it is time for new technology development research to synthesize zeolite with high economical efficiency by reusing the filter waste fluid generated during zeolite synthesis.

국내 등록특허공보 제10-1138854호, 2012.04.16.자 등록.Registered Korean Patent Publication No. 10-1138854, registered on April 16, 2012. 국내 등록특허공보 제10-1602933호, 2016.03.07.자 등록.Registered Korean Patent Publication No. 10-1602933, registered on March 7, 2016.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 여과폐액을 회수해 알칼리함량을 증가시켜 숙성시간 및 결정화시간을 획기적으로 단축시킴으로써, 결정화도가 높고 대량 생산이 가능하며 품질을 일정하게 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라 경제성이 높도록 하는 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트의 합성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the above problems, by recovering the filtrate and increasing the alkali content to significantly shorten the aging time and crystallization time, high crystallinity is possible, mass production is possible and the quality can be kept constant It is also an object of the present invention to provide a method for synthesizing an energy-reduced zeolite, which reuses a filter waste liquid generated during the synthesis of zeolite to increase economical efficiency.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, SiO2와 Al2O3를 포함하는 석탄비산재(Coal Fly Ash; CFA) 및 알칼리물질을 혼합하여 열처리를 통해 1차처리물을 형성하는 제1단계; 상기 1차처리물을 물에 용해시키고, 알루미늄 소스, 실리카 소스 및 제올라이트 시드 중 어느 하나 이상을 혼합하여 2차처리물을 형성하는 제2단계; 상기 2차처리물을 20~40℃에서 1~5시간 동안 숙성시켜 3차처리물을 형성하는 제3단계; 상기 3차처리물을 80~90℃에서 수열반응을 통해 1시간 내에 결정화시켜 4차처리물을 형성하는 제4단계; 및 상기 결정화 후 여과시 발생되는 여과폐액을 상기 제2단계로 회수하여 SiO2/Al2O3 몰비가 2.5인 조건에서 알칼리물질/석탄비산재 중량비가 0.6~1.8이 되도록 하여 재숙성 및 재결정화시켜 정방형 결정구조의 Na-A형 제올라이트를 합성하는 제5단계;를 포함하고, 상기 제5단계에서는, 상기 알칼리물질/석탄비산재의 중량비가 0.6~1.5 범위에서 상기 여과폐액이 재사용되며, 제올라이트 시드 추가 공급 없이 정방형 결정구조의 Na-A형 제올라이트를 합성하는 것을 특징으로 하는 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트의 합성방법을 기술적 요지로 한다.The present invention for achieving the above object, the first step of forming a primary treatment through heat treatment by mixing a coal fly ash (CFA) and an alkali containing SiO 2 and Al 2 O 3 ; Dissolving the primary treatment product in water and mixing at least one of an aluminum source, a silica source, and a zeolite seed to form a secondary treatment product; A third step of aging the secondary treatment at 20-40 ° C. for 1-5 hours to form a tertiary treatment; A fourth step of forming the fourth treated material by crystallizing the third treated material through a hydrothermal reaction at 80 to 90 ° C. in 1 hour; And recovering the filtered waste liquid generated during the filtration after the crystallization in the second step so that the weight ratio of alkali material / coal fly ash is 0.6-1.8 under the condition that the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is 2.5 to re-maturation and recrystallization. And a fifth step of synthesizing a Na-A zeolite having a square crystal structure. In the fifth step, the filtrate is reused when the weight ratio of the alkali material / coal fly ash is in the range of 0.6 to 1.5, and a zeolite seed is added. The technical gist of the energy-saving zeolite which recycles the filtration waste liquid which arises during the synthesis | combination of a zeolite characterized by synthesize | combining a square crystal structure of Na-A zeolite without a supply is made into a technical summary.

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바람직하게는 상기 제5단계에서는, 알칼리 수용액의 첨가로 pH 10 이상이 되도록 조절하면서 재숙성 및 재결정화시키는 것을 특징으로 한다.Preferably, in the fifth step, it is characterized in that the re-maturation and recrystallization while adjusting to pH 10 or more by the addition of an aqueous alkali solution.

상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명의 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트의 합성방법은, 다음과 같은 효과가 있다.The synthesis | combining method of the energy reduction zeolite which recycled the filter waste liquid which arises in the zeolite synthesis | combination of this invention by the solution of the said subject has the following effects.

첫째, 화력발전소에서 배출되는 석탄비산재를 회수하여 제올라이트 합성시 합성변수인 알칼리함량, 결정화온도 및 결정화시간을 최적화하여 제올라이트의 구조 및 결정화도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.First, there is an effect of improving the structure and crystallinity of the zeolite by recovering the coal fly ash discharged from the thermal power plant by optimizing the alkali content, the crystallization temperature and the crystallization time of the synthetic variables in the zeolite synthesis.

둘째, 최적의 알칼리함량 및 SiO2/Al2O3 몰비에서 합성되어 결정화도가 높은 제올라이트는 스트론튬(Sr), 세슘(Cs)과 같은 방사성물질 및 납(Pb), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 아연(Zn)과 같은 중금속물질과의 이온교환능력이 우수하여 방사성물질과 중금속물질 제거에 효과가 있다.Second, the zeolite synthesized at the optimum alkali content and SiO 2 / Al 2 O 3 mole ratio has high crystallinity, and radioactive materials such as strontium (Sr), cesium (Cs), and lead (Pb), chromium (Cr), and nickel (Ni). ) Ion exchange ability with heavy metals such as cobalt (Co), copper (Cu) and zinc (Zn) is effective in removing radioactive materials and heavy metals.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순서도.
도 2는 본 발명의 알칼리 농도에 따라 합성된 제올라이트의 XRD 그래프.
도 3은 본 발명의 결정화온도 및 결정화시간에 따라 합성된 제올라이트의 XRD 그래프.
도 4는 본 발명의 결정화온도가 70℃인 경우 결정화시간에 따른 제올라이트의 SEM사진.
도 5는 본 발명의 결정화온도가 80℃ 및 90℃인 경우 결정화시간에 따른 제올라이트의 SEM사진.
도 6은 본 발명의 알칼리 첨가에 따른 제올라이트의 결정화도 그래프.
도 7은 본 발명의 NaOH/CFA 중량비 조절에 따른 제올라이트의 SEM사진.
1 is a flow chart according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is an XRD graph of zeolite synthesized according to the alkali concentration of the present invention.
Figure 3 is an XRD graph of the zeolite synthesized according to the crystallization temperature and crystallization time of the present invention.
Figure 4 is a SEM photograph of the zeolite according to the crystallization time when the crystallization temperature of the present invention is 70 ℃.
Figure 5 is a SEM photograph of the zeolite according to the crystallization time when the crystallization temperature of the present invention 80 ℃ and 90 ℃.
Figure 6 is a graph of the crystallinity of the zeolite according to the alkali addition of the present invention.
Figure 7 is a SEM photograph of the zeolite according to the NaOH / CFA weight ratio control of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순서도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 기존 알려진 방식에 비해 제올라이트 합성 중에서 발생하는 여과폐액을 숙성과정으로 회수해 알칼리함량을 증가시켜 숙성시간 및 결정화시간을 획기적으로 감소시킴으로써, 결정화도가 높고 대량 생산이 가능하며 품질을 일정하게 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라 경제성이 높은 제올라이트를 합성하는 방법에 관한 것으로, 제1단계(S10), 제2단계(S20), 제3단계(S30), 제4단계(S40) 및 제5단계(S50)를 통하여 달성될 수 있으며, 각각의 단계에 대한 특징은 다음과 같다.1 is a flow chart according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the present invention recovers the filtrate generated during the synthesis of zeolite in a aging process to increase the alkali content, thereby drastically reducing the aging time and crystallization time, as compared to the conventionally known method. The present invention relates to a method for synthesizing zeolites capable of maintaining a constant and high quality as well as economical efficiency. The method comprises the following steps: a first step (S10), a second step (S20), a third step (S30), and a fourth step (S40). ) And the fifth step (S50), the characteristics of each step are as follows.

먼저, 제1단계는 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)를 포함하는 석탄비산재(Coal Fly Ash; CFA) 및 알칼리물질을 혼합하여 열처리를 통해 1차처리물을 형성하는 단계이다(S10).First, a first step is a step of forming a primary treatment through heat treatment by mixing a coal fly ash (CFA) and an alkali material containing silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) ( S10).

즉 제1단계에서는 화력발전소에서 배출되어 폐기물로 분류되는 석탁비산재와 알칼리물질을 혼합하고 열처리를 통해 석탄비산재를 알칼리물질과 융합함으로써, 1차처리물인 융합비산재를 형성한다.In other words, in the first step, the coal fly ash is mixed with the alkali material by mixing the turbid fly ash and the alkaline material discharged from the thermal power plant and classified as waste, thereby forming a fusion fly ash as the primary treatment product.

석탄비산재의 경우, 화력발전소 등에서 석탄을 연료로 연소시킨 후 발생하는 것으로, 15~40wt%(특히, 15~30wt%)의 알루미나(Al2O3)와 40~70wt%(특히, 40~55wt%)의 실리카(SiO2)를 포함한다.In the case of coal fly ash, it is produced after burning coal as fuel in a thermal power plant, such as 15 to 40 wt% (particularly 15 to 30 wt%) of alumina (Al 2 O 3 ) and 40 to 70 wt% (particularly, 40 to 55 wt%). %) Of silica (SiO 2 ).

알칼리물질의 경우, 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니지만 나트륨(Na) 성분을 포함하는 것이 바람직하며, 예컨대 수산화나트륨(NaOH)일 수 있다. 이외에도 탄산나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼륨, 수산화칼슘, 수산화바륨 등과 같은 칼륨, 칼슘, 바륨 등을 포함하는 알칼리물질도 사용 가능하다. 참고로, 알칼리물질은 고형 상태로 사용될 수 있으나 석탄비산재와 혼합이 용이하게 하기 위해서는 고형 상태보다는 파우더 상태로 사용하는 것이 바람직하다.In the case of an alkaline substance, although the kind is not specifically limited, it is preferable to include a sodium (Na) component, For example, it may be sodium hydroxide (NaOH). In addition, alkali materials including potassium, calcium, barium, and the like may be used, such as sodium carbonate, potassium hydroxide, potassium carbonate, calcium hydroxide, barium hydroxide, and the like. For reference, the alkaline material may be used in a solid state, but in order to facilitate mixing with coal fly ash, it is preferable to use the powder in a solid state rather than a solid state.

석탄비산재와 알칼리물질의 중량비는 최종적으로 요구되는 제올라이트의 성분비에 따라 달라질 수 있으나, 1:0.1~1.8의 중량비로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히 알칼리물질이 석탄비산재의 1중량비 대비 0.5중량비 미만이면 알칼리함량이 낮아 다시 알칼리함량을 높이기 위해 추후 많은 양의 알칼리 수용액이 요구될 수 있으며, 1.8중량비를 초과하면 석탄비산재와의 융합이 안정적으로 이루어질 수 없다.Although the weight ratio of the coal fly ash and the alkali substance may vary depending on the component ratio of the zeolite finally required, it is preferably made of a weight ratio of 1: 0.1 ~ 1.8. In particular, when the alkali material is less than 0.5 weight ratio to 1 weight ratio of the coal fly ash, the alkali content is low so that a large amount of aqueous alkali solution may be required in order to increase the alkali content again, and when it exceeds 1.8 weight ratio, fusion with the coal fly ash is made stable. Can't.

그리고 열처리에 있어서는 450~600℃에서 이루어지는 것이 좋은데, 450~600℃ 조건에서만 화력발전소에서 배출되는 석탄비산재와 알칼리물질이 균일하게 용융되어 서로 융합함으로써 제올라이트 합성에 유리한 구조를 형성할 수 있게 해준다. 즉 450~600℃에서 열처리를 통해 석탄비산재와 알칼리물질의 융합으로 석탄비산재 주성분이 물에 잘 녹는 Na2SiO3나 알칼리 수용액에 잘 녹는 NaAlSiO4로 변하여 제올라이트 합성에 필요한 알루미네이트 이온원과 실리케이트 이온원을 형성시킨다. 이런 이유로 450~600℃로 열처리하는 경우 30분~3시간 범위 내에서 이루어지면 충분하다. 열처리를 30분만 하게 되더라도 석탄비산재와 알칼리물질이 균일하게 충분히 녹았기 때문이다.The heat treatment is preferably performed at 450 to 600 ° C., but only at 450 to 600 ° C., coal fly ash and alkali material discharged from the thermal power plant are uniformly melted and fused to each other to form an advantageous structure for zeolite synthesis. In other words, the main component of coal fly ash is Na 2 SiO 3 which is well soluble in water or NaAlSiO 4 which is well soluble in aqueous alkali solution. Form a circle. For this reason, it is sufficient if the heat treatment at 450 ~ 600 ℃ within 30 minutes ~ 3 hours. This is because even after 30 minutes of heat treatment, the coal fly ash and the alkali substance are sufficiently and uniformly dissolved.

한 예로, 알칼리물질이 수산화나트륨(NaOH)인 경우 석탄비산재와 수산화나트륨의 중량비는 1:0.1~1.8일 수 있고, 500~550℃에서 열처리가 이루어질 수 있다.For example, when the alkali material is sodium hydroxide (NaOH), the weight ratio of coal fly ash and sodium hydroxide may be 1: 0.1 to 1.8, and heat treatment may be performed at 500 to 550 ° C.

다른 예로, 알칼리물질이 탄산나트륨(Na2CO3)인 경우 석탄비산재와 탄산나트륨을 일정량 혼합하여 500~550℃에서 열처리하여 융합하면 석탄비산재에 함유된 석영(quartz)이나 규산알루미늄(mullite)이 50% 이상 그대로 남아있어 제올라이트 합성이 잘 되지 않기 때문에 제올라이트 합성 원료로 이용되기 쉬운 무정형 또는 수용성 형태로 변화시키기 위해 800~900℃까지 고온 열처리해야하는 번거로움은 있다. 이런 이유로, 탄산나트륨보다는 수산화나트륨을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.As another example, when the alkali material is sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), if a certain amount of coal fly ash and sodium carbonate are mixed and heat treated at 500 to 550 ° C., the quartz or aluminum silicate contained in the coal fly ash is 50%. As it remains as above, the zeolite synthesis does not work well, and there is a hassle of high temperature heat treatment to 800-900 ° C. in order to change into an amorphous or water-soluble form which is easy to be used as a raw material for zeolite synthesis. For this reason, it is more preferable to use sodium hydroxide than sodium carbonate.

다음으로, 제2단계는 1차처리물을 물(water)에 용해시키고, 알루미늄 소스, 실리카 소스 및 제올라이트 시드 중 어느 하나 이상을 혼합하여 2차처리물을 형성하는 단계이다(S20).Next, the second step is a step of dissolving the primary treatment in water (water), and mixing any one or more of the aluminum source, silica source and zeolite seed to form a secondary treatment (S20).

우선 제2단계에서 1차처리물인 용융된 융합비산재를 녹이는데 사용되는 물은 1차처리물 100중량부에 대하여 200~1,000중량부일 수 있는데, 물이 200중량부 미만이면 알칼리 농도가 너무 높아져서 안정적인 구조지만 활용도가 적은 Na-P1이나 소달라이트(Sodalite) 등으로 변하고, 1,000중량부를 초과하면 반응시 결정화속도가 느려지고 대량 합성을 위한 반응기나 공장 규모가 커져야 할 뿐만 아니라 폐수 발생량이 많아 처리비용의 증가로 생산적인 측면에서 비효율적이다. 따라서 물은 200~1,000중량부, 더욱 바람직하게는 400~600중량부로 사용되는 것이 좋다.First, the water used to dissolve the molten fusion fly ash, which is the primary treatment in the second step, may be 200 to 1,000 parts by weight based on 100 parts by weight of the primary treatment. If the water is less than 200 parts by weight, the alkali concentration becomes too high and stable. When the structure is changed to Na-P1 or Sodalite, which is less used, and when it exceeds 1,000 parts by weight, the crystallization rate is slowed during the reaction, and the reactor or plant size for mass synthesis is not only large, but the waste water is generated and the treatment cost is increased. Inefficient in terms of productivity. Therefore, the water is preferably used 200 to 1,000 parts by weight, more preferably 400 to 600 parts by weight.

알루미늄 소스의 경우 알루미늄을 포함하는 물질을 의미하는 것으로, 최종적으로 요구되는 제올라이트의 조성비를 조절하기 위해 첨가된다. 즉 알루미늄 소스의 첨가에 의해 최종 합성되는 제올라이트의 SiO2/Al2O3 몰비를 조절할 수 있게 된다. 알루미늄 소스로는 NaAlO2를 사용할 수 있으며, 그외 알루미늄계 응집제도 사용 가능하다. 알루미늄 소스의 양은 최종적으로 요구되는 제올라이트의 조성비 및 석탄비산재 및 1차처리물의 화학조성에 따라 달라지긴 하지만 1차처리물 100중량부에 대하여 5~25중량부가 첨가될 수 있는데, 5중량부 미만으로 첨가되면 제올라이트의 SiO2/Al2O3 몰비를 2.5로 맞추기 어렵고 25중량부를 초과하면 SiO2/Al2O3 몰비가 2.5를 초과하기 때문에, 5~10중량부가 더욱 바람직하다. 하지만 본 발명에서는 여과폐액이 제3단계의 숙성과정으로 회수되어 알칼리 함량을 다시 높일 수 있기 때문에, 경우에 따라 알루미늄 소스는 첨가되지 않아도 된다.In the case of an aluminum source, it means a material including aluminum, and is finally added to adjust the composition ratio of the zeolite required. That is, it is possible to adjust the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite finally synthesized by the addition of an aluminum source. NaAlO 2 may be used as the aluminum source, and other aluminum-based flocculants may be used. Although the amount of aluminum source depends on the composition ratio of the zeolite and the chemical composition of the coal fly ash and the primary treatment, which is finally required, 5 to 25 parts by weight may be added based on 100 parts by weight of the primary treatment. When added, it is difficult to adjust the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite to 2.5, and when it exceeds 25 parts by weight, the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio exceeds 2.5, so 5 to 10 parts by weight is more preferable. However, in the present invention, since the filtered waste liquid is recovered by the aging process of the third step to increase the alkali content, in some cases, the aluminum source does not need to be added.

실리카 소스의 경우 실리카를 포함하는 물질을 의미하는 것으로, 1차처리물에 부족한 실리카를 추가할 수 있으며, SiO2/Al2O3 몰비를 2.5로 최적할 수 있도록 경우에 따라 첨가될 수 있기 때문에 그 양에는 한정하지 않기로 한다.In the case of a silica source, it means a material containing silica, and it is possible to add insufficient silica to the primary treatment, and may be added in some cases so as to optimize the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio to 2.5. It is not limited to the amount.

제올라이트 시드의 경우 최종적으로 합성되는 제올라이트의 형태를 결정짓는 주형 역할을 하는 것으로, 1차처리물 100중량부에 대하여 0.1~1중량부로 혼합될 수 있다. 제올라이트 시드가 0.1중량부 미만으로 첨가되면 제올라이트의 합성이 완료되더라도 제올라이트 형태가 안정적이지 못하고, 1중량부를 초과하면 그 이하의 양이 첨가된 경우와 대비하여 더욱 탁월한 효과가 나타나지 않아 굳이 1중량부를 초과하여 혼합할 필요가 없다. 따라서 제올라이트 시드는 0.1~1량부, 더욱 바람직하게는 0.1~0.5중량부가 좋다.In the case of the zeolite seed, it serves as a template for determining the form of the finally synthesized zeolite, and may be mixed in an amount of 0.1 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of the primary treatment product. If the zeolite seed is added less than 0.1 part by weight, the zeolite form is not stable even when the synthesis of the zeolite is completed, and if it is more than 1 part by weight, the effect is not more excellent than that in the case where the amount is less than 1 part by weight. There is no need to mix. Therefore, the zeolite seed is preferably 0.1 to 1 parts by weight, more preferably 0.1 to 0.5 parts by weight.

다음으로, 제3단계는 2차처리물을 20~40℃에서 1~5시간 동안 숙성시켜 3차처리물을 형성하는 단계이다(S30).Next, the third step is a step of forming the third treatment by aging the secondary treatment for 1 to 5 hours at 20 ~ 40 ℃ (S30).

즉 제3단계는 제2단계에서 완성된 2차처리물을 20~40℃ 조건으로 1~5시간 동안 숙성시키는 과정으로써, 특히 추후 제5단계의 여과폐액이 회수되면 알칼리함량의 증가로 숙성시간이 1시간 이내로 대폭 줄어들 수 있게 된다.That is, the third step is a process of ripening the secondary treatment completed in the second step for 20 minutes to 40 ℃ conditions for 1 to 5 hours, especially when the filtrate of the fifth step is recovered later, the aging time due to the increase of alkali content It can be greatly reduced within this hour.

다음으로, 제4단계는 3차처리물을 70~100℃에서 수열반응을 통해 결정화시켜 4차처리물을 형성하는 단계이다(S40).Next, the fourth step is to form a fourth treatment by crystallizing the third treatment by hydrothermal reaction at 70 ~ 100 ℃ (S40).

말하자면 제4단계는 70~100℃ 조건으로 수 매체에 의해 반응에 필요한 열이 전달되는 수열반응으로 실시되는데, 이러한 수열반응은 통상적으로 고압반응기(autoclave)에서 수행되지만 본 발명에서는 상압반응기에서 수행된다.In other words, the fourth step is carried out by a hydrothermal reaction in which heat required for the reaction is transferred by the aqueous medium at 70-100 ° C., which is usually performed in an autoclave, but in the present invention, an atmospheric pressure reactor. .

이러한 결정화는 수열 이외에 에너지원이 없는 경우에는 30분~12시간 동안 이루어질 수 있으나, 1~6시간 동안 이루어짐으로써, 시간 절간되는 효과가 있다.This crystallization may be performed for 30 minutes to 12 hours when there is no energy source other than hydrothermal, but by 1 to 6 hours, there is an effect that is time intercepted.

마지막으로, 제5단계는 결정화 후 여과시 발생되는 여과폐액을 제2단계로 회수하여 SiO2/Al2O3 몰비가 2.5인 조건에서 알칼리물질/석탄비산재 중량비가 0.1 이상이 되도록 하여 재숙성 및 재결정화시켜 제올라이트를 합성하는 단계이다(S50).Finally, the fifth step recovers the filtered waste solution generated during the crystallization after the crystallization to the second step so that the weight ratio of alkali material / coal fly ash is at least 0.1 in the condition that the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is 2.5 or more re-aging and Recrystallization is a step of synthesizing zeolite (S50).

제5단계에서는 4차처리물의 여과 및 세척을 통해 4차처리물의 고형분으로부터 분리되는 액상 여과폐액의 회수시 알칼리물질/석탄비산재 중량비가 0.1~1.8 범위가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.In the fifth step, it is preferable to adjust the weight ratio of the alkali material / coal fly ash to be in the range of 0.1 to 1.8 when recovering the liquid filtrate separated from the solids of the fourth treatment through filtration and washing of the fourth treatment.

특히, 여과폐액만을 제2단계로 회수하게 되면 여과폐액의 재이용 횟수와 물의 투입량을 조절해야 하며, 재사용시마다 일정한 알칼리 농도를 유지하기 어렵기 때문에, 추가적인 알칼리 수용액의 공급으로 최적의 pH 조건이 10 이상이 되도록 조절하는 것이 바람직하다.In particular, when only the wastewater collected in the second stage has to be adjusted for the number of times of reuse of the wastewater and the amount of water used, and it is difficult to maintain a constant alkali concentration upon each reuse. It is preferable to adjust so that.

이렇게 제5단계에서는 제4단계에서 합성된 제올라이트로부터 분리된 여과폐액을 제2단계로 회수하여 재숙성 및 재결정화를 거치게 되면 제올라이트 시드를 추가적으로 공급할 필요없이 안정한 정방형 결정구조의 Na-A형 제올라이트가 합성 될 수 있는 효과가 있다.Thus, in the fifth step, when the filtrate separated from the zeolite synthesized in the fourth step is recovered in the second step and undergoes re-aging and recrystallization, Na-A zeolite having a stable square crystal structure does not need to be additionally supplied with zeolite seed. There is an effect that can be synthesized.

이하, 본 발명의 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트의 합성방법에 따른 실시예를 설명하면 다음과 같다. 단, 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, an embodiment according to the method for synthesizing the energy-reducing zeolite using the filter waste fluid generated during the synthesis of the zeolite of the present invention will be described. However, the following examples are only illustrated to aid the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1><Example 1>

알칼리 첨가량에 따른 제올라이트의 합성Synthesis of Zeolite According to Alkali Addition

화력발전소에서 배출되는 석탄비산재를 이용하여 알칼리 첨가량에 따른 제올라이트의 합성여부를 알아보기 위해 숙성온도 5시간으로 유지한 후 결정화온도 80℃에서 5시간 교반하여 제올라이트를 합성해 보기로 하였다.In order to find out whether the zeolite is synthesized according to the amount of alkali added using coal fly ash discharged from the thermal power plant, the zeolite was synthesized by maintaining the aging temperature at 5 hours and stirring at 80 ° C for 5 hours.

즉 화력발전소에서 배출된 석탄비산재 10g과 수산화나트륨 12g을 일정하게 혼합 용융한 후 30℃에서 5시간 동안 숙성시킨 후 70~90℃의 결정화온도에서 1~5시간별로 결정화시간에 따른 영향을 실험해 보았다.In other words, 10g of coal fly ash discharged from thermal power plant and 12g of sodium hydroxide are mixed and melted, and then aged at 30 ℃ for 5 hours, and then experimented with the effects of crystallization time for 1 to 5 hours at the crystallization temperature of 70 ~ 90 ℃. saw.

수산화나트륨 12g을 분쇄하여 석탄비산재 10g과 일정하게 혼합하여 550℃에서 3시간 동안 용융한 후 융합비산재를 물 100g(초순수 5g/융합비산재 1g)에 녹이고, SiO2/Al2O3 몰비(mol/mol)를 2.5로 유지하기 위해 NaAlO2 1.0g를 첨가한 후 제올라이트의 성장을 돕기 위해 제올라이트 4A(상용촉매) 0.1g를 넣고 상온에서 5시간 동안 교반하면서 숙성하였다.12 g of sodium hydroxide was pulverized and mixed with 10 g of coal fly ash, which was melted at 550 ° C. for 3 hours, and the fused fly ash was dissolved in 100 g of water (5 g of ultrapure water / 1 g of fusion fly ash), and the molar ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 (mol / mol) 1.0 g of NaAlO 2 was added to maintain 2.5, and then 0.1 g of zeolite 4A (commercial catalyst) was added to aid the growth of zeolite, and aged with stirring at room temperature for 5 hours.

여기서 알칼리 첨가량의 영향을 알아보기 위해 물 100g 대신에 0.5M 또는 1.0M의 NaOH 수용액에 융합비산재를 녹이고, SiO2/Al2O3 몰비를 2.5로 유지하기 위해 NaAlO2 1.0g를 첨가한 후 제올라이트의 성장을 돕기 위해 제올라이트 4A(상용촉매) 0.1g를 넣고 상온에서 5시간 동안 교반하면서 숙성하였다. 숙성이 완료된 후 80℃까지 10℃/min 속도로 원하는 결정화온도까지 승온시켰다. 결정화시 80℃에서 5시간 동안 용융수열반응 후에 합성된 제올라이트를 여과 및 수 회 세척하고 90~100℃에서 건조한 후 제올라이트를 합성하였다.In order to determine the effect of alkali addition amount, fused fly ash is dissolved in 0.5 M or 1.0 M aqueous NaOH solution instead of 100 g of water, and 1.0 g of NaAlO 2 is added to maintain SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio at 2.5 and then zeolite. 0.1 g of zeolite 4A (commercial catalyst) was added thereto to help growth of the cells, and aged at room temperature with stirring for 5 hours. After aging was completed, the temperature was raised to the desired crystallization temperature at a rate of 10 ° C./min to 80 ° C. After crystallization, the zeolite synthesized after the hydrothermal reaction for 5 hours at 80 ° C. was filtered and washed several times, and dried at 90˜100 ° C. to synthesize the zeolite.

도 2는 본 발명의 알칼리 농도에 따라 합성된 제올라이트의 XRD 그래프이다. 알칼리 첨가량의 영향을 알아보기 위하여 NaOH/CFA 중량비를 1:0.1~1.8로 조절한 후 물 대신 NaOH 수용액(여과폐액 포함)을 0.0M, 0.5M, 1.0M 별로 첨가한 후 숙성 및 결정화하여 합성된 제올라이트의 XRD 패턴을 도 2-(a), 도 2-(b) 및 도 2-(c)에 각각 나타내었다.2 is an XRD graph of a zeolite synthesized according to the alkali concentration of the present invention. In order to determine the effect of the amount of alkali added, NaOH / CFA weight ratio was adjusted to 1: 0.1 to 1.8, and then NaOH aqueous solution (including filtrate) was added instead of water by 0.0M, 0.5M, 1.0M and then aged and crystallized. XRD patterns of zeolites are shown in FIGS. 2- (a), 2- (b) and 2- (c), respectively.

도 2-(a)는 NaOH 수용액 대신 물을 이용해 용융수열합성한 것으로, NaOH/CFA 중량비가 0.1과 0.3에서는 제올라이트의 피크가 거의 나타나지 않아 석탄비산재에 포함된 SiO2와 Al2O3가 제올라이트로 합성되지 못한 것으로 판단되었다. 하지만 NaOH/CFA 중량비가 0.6 이상의 조건에서는 상업용 제올라이트인 Z-CS와 동일한 2θ 위치에서 제올라이트의 피크가 나타남을 확인할 수 있었다. 이 피크는 NaOH/CFA 중량비가 0.6에서 1.8로 증가하더라도 피크의 높이는 거의 유사한 경향을 나타내었다.2- (a) is a hydrothermal synthesis using water instead of aqueous NaOH solution, the NaOH / CFA weight ratio of 0.1 and 0.3 zeolite showed almost no peak of zeolite SiO 2 and Al 2 O 3 contained in coal fly ash as a zeolite It was judged that it was not synthesized. However, the NaOH / CFA weight ratio of 0.6 or more was confirmed that the peak of the zeolite appears at the same 2θ position as the commercial zeolite Z-CS. This peak showed a similar tendency for the height of the peak even though the NaOH / CFA weight ratio increased from 0.6 to 1.8.

도 2-(b)는 여과폐액을 재이용한 경우에서 알칼리 첨가량을 높이기 위해 NaOH 0.5M 농도의 수용액을 물 대신 첨가하여 용융수열합성한 제올라이트의 XRD 패턴을 나타낸 것으로, 용융수열합성시 물 대신 0.5M의 NaOH 수용액을 첨가한 경우 NaOH/CFA 중량비가 0.1일 때 제올라이트가 생성됨을 확인할 수 있었고, NaOH/CFA 중량비가 증가할수록 제올라이트의 피크가 증가함이 확인되었다. 하지만 NaOH/CFA 중량비가 1.2 이상인 경우 다른 형태의 제올라이트 피크가 나타났다.2- (b) shows the XRD pattern of the zeolite synthesized by fusion hydrothermal synthesis by adding an aqueous solution of NaOH 0.5M concentration in place of water to increase the amount of alkali in the case of reuse of the filtrate. When the NaOH aqueous solution was added, it was confirmed that zeolite was produced when the NaOH / CFA weight ratio was 0.1. As the NaOH / CFA weight ratio was increased, the zeolite peak was increased. However, when the NaOH / CFA weight ratio is more than 1.2, a different type of zeolite peak appeared.

도 2-(c)는 물 대신 1.0M의 NaOH 수용액을 첨가하여 융융수열합성한 제올라이트의 XRD 패턴을 나타낸 것으로, NaOH/CFA 중량비가 0.1일 때 제올라이트가 생성됨을 확인할 수 있었고, NaOH/CFA 중량비가 1.2로 높아질수록 제올라이트의 피크가 증가함을 알 수 있었다. 하지만 NaOH/CFA 중량비가 1.2 이상인 경우 다른 형태의 제올라이트 피크가 나타남을 알 수 있었다.2- (c) shows the XRD pattern of the zeolite synthesized by fusion-melting by adding 1.0 M aqueous NaOH solution instead of water. When the NaOH / CFA weight ratio was 0.1, zeolite was formed, and the NaOH / CFA weight ratio was shown. It can be seen that the peak of the zeolite increases as it increases to 1.2. However, when the NaOH / CFA weight ratio is more than 1.2 it can be seen that other forms of zeolite peaks.

이러한 도 2에 나타난 바와 같이, 용융수열합성 과정에서 NaOH/CFA 중량비가 높아질수록 소성물질의 표면 상에 청녹색의 Si와 Al이 많이 용출됨을 알 수 있었다. 도 2-(b)에서 알칼리함량을 높이기 위해 물 대신 0.5M NaOH 수용액을 첨가하여 재숙성 및 재결정화하여 제올라이트를 합성한 경우 NaOH/CFA 중량비가 0.1 이상에서 NaOH/CFA 중량비가 높아짐에 따라 Na-A형 제올라이트의 피크가 높아지는 경향을 확인할 수 있었다. 그러나 도 2-(c)에서와 같이 알칼리함량을 높이기 위해 물 대신 O.1M의 NaOH 수용액을 첨가하여 재숙성 및 재결정화하여 제올라이트를 합성한 경우 NaOH/CFA 중량비가 0.1 이상에서 NaOH/CFA 중량비가 높아짐에 따라 Na-A형 제올라이트의 피크가 높아지는 경향을 확인할 수 있었지만 NaOH/CFA 중량비가 증가하면 오히려 다른 형태의 제올라이트 피크가 나타남을 알 수 있었다.As shown in FIG. 2, it can be seen that as the NaOH / CFA weight ratio is increased in the melt hydrothermal synthesis process, more green-green Si and Al are eluted on the surface of the calcined material. To increase alkali content in FIG. 2- (b), when zeolite was synthesized by adding 0.5 M NaOH aqueous solution instead of water and re-aging and recrystallization, NaOH / CFA weight ratio was 0.1 or higher, and Na- Na / CFA weight ratio was increased. The tendency of the peak of A-type zeolite to become high was confirmed. However, when the zeolite was synthesized by re-aging and recrystallization by adding an aqueous NaOH solution of 0.1 M instead of water to increase alkali content as shown in FIG. 2- (c), the NaOH / CFA weight ratio was higher than 0.1. As the Na-A zeolite peaks, the peak tends to increase. However, as NaOH / CFA weight ratio increases, other types of zeolite peaks appear.

<실시예 2><Example 2>

결정화시간 및 결정화온도에 따른 제올라이트의 합성Synthesis of Zeolite According to Crystallization Time and Crystallization Temperature

화력발전소에서 배출된 비산재 10g과 수산화나트륨 12g을 일정하게 혼합한 후 숙성온도 30℃에서 5시간 숙성시킨 후 결정화온도 70~90℃에서 결정화시간에 따른 영향을 알아보기 위해 1시간에서 5시간까지의 결정화시간별로 실험하였다.After 10g of fly ash discharged from the thermal power plant and 12g of sodium hydroxide were mixed regularly, it was aged for 5 hours at 30 ℃ of aging temperature, and then 1 to 5 hours of crystallization time at 70 ~ 90 ℃ for crystallization time. Experiments were conducted by crystallization time.

수산화나트륨 12g을 분쇄하여 석탄비산재 10g과 일정하게 혼합하여 550℃에서 1시간 동안 용융한 후 융합비산재를 초순수물 100g(초순수 5g/융합비산재 1g)에 녹이고, SiO2/Al2O3 몰비를 2.5로 유지하기 위해 NaAlO2 1.0g를 첨가한 후 제올라이트의 성장을 돕기 위해 제올라이트 4A(상용촉매) 0.1g를 넣고 상온에서 5시간 동안 교반하면서 숙성하였다. 숙성이 완료된 후 90℃까지 10℃/min 속도로 원하는 결정화온도까지 승온시킨 다음 결정화시 90℃에서 1시간에서 5시간동안 수열반응 후에 합성된 제올라이트를 여과 및 수 회 세척하고 90~100℃에서 건조한 후 제올라이트를 합성하였다.12 g of sodium hydroxide was pulverized and mixed with 10 g of coal fly ash, which was melted at 550 ° C. for 1 hour, and the fused fly ash was dissolved in 100 g of ultrapure water (5 g of ultrapure water / 1 g of fusion fly ash), and the molar ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 was 2.5. 1.0 g of NaAlO 2 was added to maintain the solution, and 0.1 g of zeolite 4A (commercial catalyst) was added thereto to aid the growth of the zeolite, and aged with stirring at room temperature for 5 hours. After aging is completed, the mixture is heated to a desired crystallization temperature at a rate of 10 ° C./min up to 90 ° C., and then, after crystallization of the zeolite after hydrothermal reaction at 90 ° C. for 1 hour to 5 hours, the synthesized zeolite is filtered and washed several times and dried at 90-100 ° C. After the zeolite was synthesized.

도 3은 본 발명의 결정화온도 및 결정화시간에 따라 합성된 제올라이트의 XRD 그래프이다. 도 3을 참조하면, 제올라이트 합성시간을 단축하기 위해 결정화시간 및 결정화온도에 따른 제올라이트 합성 여부를 나타낸 것이다.3 is an XRD graph of zeolites synthesized according to the crystallization temperature and crystallization time of the present invention. Referring to FIG. 3, it is shown whether zeolite is synthesized according to crystallization time and crystallization temperature in order to shorten the zeolite synthesis time.

도 3-(a)는 30℃의 온도에서 5시간 동안 유지하여 숙성한 후 70℃에서 1시간, 3시간, 5시간이 경과되면서 결정화된 제올라이트의 XRD 패턴을 나타낸 것이고, 도 3-(b)는 30℃의 온도에서 5시간 동안 유지하여 숙성한 후 80℃에서 1시간, 3시간, 5시간이 경과되면서 결정화된 제올라이트의 XRD 패턴을 나타낸 것이며, 도 3-(c)는 30℃의 온도에서 5시간 동안 유지하여 숙성한 후 90℃℃에서 1시간, 3시간, 5시간이 경과되면서 결정화된 제올라이트의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.3- (a) shows the XRD pattern of the crystallized zeolite after 1 hour, 3 hours, and 5 hours at 70 ° C. after aging for 5 hours at 30 ° C., and FIG. 3- (b) Shows the XRD pattern of the crystallized zeolite after 1 hour, 3 hours, 5 hours at 80 ℃ after aging and maintained for 5 hours at a temperature of 30 ℃, Figure 3- (c) is at a temperature of 30 ℃ After aging for 5 hours, 1 hour, 3 hours, and 5 hours at 90 ° C. showed XRD patterns of crystallized zeolite.

이러한 도 3을 참조하면, 숙성온도가 30℃에서 숙성시간을 5시간 유지한 후 90℃의 결정화온도에서 결정화시간에 따른 제올라이트 XRD 패턴을 나타낸 바와 같이 결정화시간이 1시간 이상이 되면 제올라이트가 합성되는 것을 알 수 있었다. 그리고 결정화시간이 길어지더라도 제올라이트 피크가 거의 유사함이 확인되었다.Referring to FIG. 3, after the aging temperature is maintained at 30 ° C. for 5 hours, the zeolite is synthesized when the crystallization time reaches 1 hour or more as shown in the zeolite XRD pattern according to the crystallization time at 90 ° C. I could see that. And it was confirmed that the zeolite peak was almost similar even though the crystallization time was longer.

도 4는 본 발명의 결정화온도가 70℃인 경우 결정화시간에 따른 제올라이트의 SEM사진이다. 도 4는 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)의 몰비를 2.5 및 NaOH/CFA 중량비를 1.2로 고정한 조건에서 30℃의 온도와 5시간의 숙성을 거친 후 70℃에서 결정화시켜 합성된 제올라이트의 SEM사진을 나타낸 것이다.Figure 4 is a SEM photograph of the zeolite according to the crystallization time when the crystallization temperature of the present invention is 70 ℃. Figure 4 is synthesized by crystallization at 70 ℃ after passing the temperature of 30 ℃ and 5 hours under a condition that fixed the molar ratio of silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) 2.5 and NaOH / CFA weight ratio to 1.2 SEM photographs of zeolites are shown.

도 4-(a)는 70℃의 결정화온도에서 1시간 결정화시간을 거친 제올라이트를 나타낸 것이고, 도 4-(b)는 70℃의 결정화온도에서 3시간 결정화시간을 거친 제올라이트를 나타낸 것이며, 도 4-(c)는 70℃의 결정화온도에서 5시간 결정화시간을 거친 제올라이트를 나타낸 것이다.Figure 4 (a) shows a zeolite that passed through a 1 hour crystallization time at a crystallization temperature of 70 ℃, Figure 4- (b) shows a zeolite that passed through a 3 hour crystallization time at a crystallization temperature of 70 ℃, Figure 4 -(c) shows the zeolite which passed the crystallization time for 5 hours at the crystallization temperature of 70 degreeC.

이러한 도 4에 의하면, SiO2/Al2O3 몰비 2.5 및 NaOH/CFA 중량비 1.2로 고정한 조건에서 숙성온도 30℃에서 숙성시간을 5시간 유지한 후 결정화온도 70℃에서 결정화시간에 따른 제올라이트의 SEM사진에서 결정화시간이 1시간일 때 Na-A형 제올라이트의 전형적인 결정구조인 정방형 입자구조가 거의 관찰되지 않았다. 하지만 결정화시간이 3시간 및 5시간일 때 Na-A형 제올라이트의 전형적인 결정구조인 정방형 입자구조가 합성된다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 숙성온도 30℃에서 숙성시간을 5시간 유지한 후 결정화온도 70℃에서 결정화시간이 3시간 이상이면 Na-A형 제올라이트가 합성된다는 것을 알 수 있었다.According to FIG. 4, SEM of zeolite according to crystallization time at a crystallization temperature of 70 ° C. was maintained at a aging temperature of 30 ° C. for 5 hours under conditions fixed at a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of 2.5 and a NaOH / CFA weight ratio of 1.2. In the photograph, when the crystallization time was 1 hour, almost no square grain structure, which is a typical crystal structure of Na-A zeolite, was observed. However, it was confirmed that when the crystallization time is 3 hours and 5 hours, a square grain structure, which is a typical crystal structure of Na-A zeolite, is synthesized. Therefore, it was found that Na-A zeolite was synthesized when the aging time was maintained at 30 ° C. for 5 hours and the crystallization time was 3 hours or longer at 70 ° C ..

도 5는 본 발명의 결정화온도가 80℃ 및 90℃인 경우 결정화시간에 따른 제올라이트의 SEM사진이다. 도 5-(a)는 SiO2/Al2O3 몰비를 2.5 및 NaOH/CFA 중량비를 1.2로 고정한 조건에서 30℃의 온도와 5시간의 숙성을 거친 후 80℃의 결정화온도에서 1시간 결정화시간을 거친 제올라이트를 나타낸 것이고, 도 5-(b)는 SiO2/Al2O3의 몰비를 2.5 및 NaOH/CFA 중량비를 1.2로 고정한 조건에서 30℃의 온도와 5시간의 숙성을 거친 후 90℃의 결정화온도에서 1시간 결정화시간을 거친 제올라이트를 나타낸 것이다.5 is a SEM photograph of the zeolite according to the crystallization time when the crystallization temperature of the present invention is 80 ℃ and 90 ℃. Fig. 5- (a) shows a 1 hour crystallization time at a crystallization temperature of 80 ° C. after a temperature of 30 ° C. and 5 hours of aging under a condition that the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is 2.5 and the NaOH / CFA weight ratio is 1.2. 5- (b) shows 90 ° C. after a temperature of 30 ° C. and 5 hours of aging under a condition in which the molar ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 is 2.5 and the NaOH / CFA weight ratio is fixed at 1.2. It shows the zeolite which passed the crystallization time for 1 hour at the crystallization temperature of.

도 5에 의하면, 숙성온도가 30℃에서 숙성시간을 5시간 유지한 후 결정화온도 80℃와 90℃에서 결정화시간이 1시간 이상이면 Na-A형 제올라이트가 합성된다는 것을 알 수 있었다.According to FIG. 5, it was found that Na-A zeolite was synthesized when the aging temperature was maintained at 30 ° C. for 5 hours and the crystallization time was at least 1 hour at 80 ° C. and 90 ° C., respectively.

특히 기존의 비산재나 폐기물을 이용하여 제올라이트를 합성한 특허인 "실리카 및 알루미나가 포함된 폐기물로부터 합성된 제올라이트(등록번호: 10-1138854)"의 경우 80~100℃ 및 상압조건에서 2시간 이상 유지되어야지만 제올라이트가 합성되었지만, 본 발명의 경우 결정화온도가 80~90℃ 범위일 때 1시간 이내에서 제올라이트 합성 피크가 나타나고, 결정화온도가 70℃일 때는 결정화시간이 1시간 초과하면 제올라이트 합성 피크가 나타남을 확인할 수 있다.In particular, in the case of the zeolite synthesized from the waste containing silica and alumina (Registration No .: 10-1138854), which is a patent for synthesizing zeolite using existing fly ash or waste, it is maintained at 80-100 ° C. and atmospheric pressure for 2 hours or more. Although the zeolite was synthesized, in the present invention, the zeolite synthesis peak appears within 1 hour when the crystallization temperature is in the 80 ~ 90 ℃ range, the zeolite synthesis peak appears when the crystallization time exceeds 1 hour when the crystallization temperature is 70 ℃ can confirm.

이런 결과로부터 화력발전소에서 배출되는 석탄비산재를 이용하여 실제 제올라이트 합성을 운전하는 경우 기존에 비해 낮은 온도 및 합성시간을 단축시킬 수 있으므로 제올라이트의 대량 생산이 가능함이 확인된다.From these results, it is confirmed that mass production of zeolites is possible because the actual temperature of the zeolite synthesis using the coal fly ash discharged from the thermal power plant can be shortened and the synthesis time can be shortened.

<실험예 1>Experimental Example 1

알칼리함량에 따른 제올라이트의 결정화도Crystallinity of Zeolite According to Alkali Content

본 실험예 1에서는 알칼리 첨가량에 따라 제올라이트의 결정화도를 실험하였다.In Experimental Example 1, the crystallinity of the zeolite was tested according to the amount of alkali added.

도 6은 본 발명의 알칼리 첨가에 따른 제올라이트의 결정화도 그래프이다. 도 6을 참조하면, 숙성과정으로 회수된 NaOH 중량과 용융과정에서 투입된 NaOH 중량을 합산하여 조절된 NaOH/CFA 중량비가 높아지면 결정화도가 증가하지만 NaOH/CFA 중량비가 0.6이상에서 1.5 범위까지 알칼리함량이 증가하더라도 유사한 결정화도를 가지는 것을 알 수 있었고, 이 범위에서 재사용이 가능하다. NaOH/CFA 중량비가 1.5 이상인 경우 오히려 제올라이트 결정화도가 낮아지는 것을 알 수 있었다. 단, NaOH/CFA 중량비가 0.6 미만이면 성능이 잘 나오지 않아 재사용에 제한이 따를 수 있다.6 is a graph showing the crystallinity of the zeolite according to the alkali addition of the present invention. Referring to FIG. 6, when the NaOH / CFA weight ratio adjusted by adding the NaOH weight recovered during the aging process and the NaOH weight added during the melting process increases, the degree of crystallinity increases, but the NaOH / CFA weight ratio ranges from 0.6 to 1.5. It can be seen that even if the increase has a similar crystallinity, it can be reused in this range. It was found that the zeolite crystallinity was lowered when the NaOH / CFA weight ratio was 1.5 or more. However, if the NaOH / CFA weight ratio is less than 0.6, the performance may not come out well may be limited in reuse.

도 7은 본 발명의 NaOH/CFA 중량비 조절에 따른 제올라이트의 SEM사진이다. 도 7-(a)는 조절된 NaOH/CFA 중량비가 0.1인 경우의 제올라이트 SEM사진이고, 도 7-(b)는 조절된 NaOH/CFA 중량비가 0.6인 경우의 제올라이트 SEM사진이고, 도 7-(c)는 조절된 NaOH/CFA 중량비가 0.9인 경우의 제올라이트 SEM사진이고, 도 7-(d)는 조절된 NaOH/CFA 중량비가 1.2인 경우의 제올라이트 SEM사진이고, 도 7-(e)는 조절된 NaOH/CFA 중량비가 1.8인 경우의 제올라이트 SEM사진이고, 도 7-(f)는 조절된 NaOH/CFA 중량비가 2.2인 경우의 제올라이트 SEM사진이다.Figure 7 is a SEM photograph of the zeolite according to the NaOH / CFA weight ratio control of the present invention. 7- (a) is a SEM image of zeolite when the adjusted NaOH / CFA weight ratio is 0.1, and FIG. 7- (b) is a SEM image of zeolite when the adjusted NaOH / CFA weight ratio is 0.6, and FIG. 7- ( c) is a zeolite SEM picture when the adjusted NaOH / CFA weight ratio is 0.9, Figure 7- (d) is a zeolite SEM picture when the adjusted NaOH / CFA weight ratio is 1.2, Figure 7- (e) is the control Zeolite SEM photograph when the NaOH / CFA weight ratio is 1.8, Figure 7- (f) is a zeolite SEM photograph when the adjusted NaOH / CFA weight ratio is 2.2.

도 7을 정리하자면, SiO2/Al2O3 몰비 2.5, 숙성온도와 숙성시간이 각각 30℃와 5시간으로 유지한 후 결정화온도와 결정화시간을 각각 90℃와 5시간으로 유지한 조건에서 조절된 NaOH/CFA 중량비에 따라 합성된 제올라이트의 SEM사진 중에서 조절된 NaOH/CFA 중량비가 0.1에서는 Na-A형 제올라이트의 결정구조가 관찰되지 않지만, NaOH/CFA 중량비가 0.6~1.8에서는 Na-A형 제올라이트의 정방형 결정구조가 형성됨이 확인되었고, 다만 NaOH/CFA 중량비가 증가할수록 Na-A형 제올라이트의 입자크기가 작아진다는 것을 알 수 있었다. 하지만 NaOH/CFA 중량비가 2.2에서는 Na-A형 제올라이트가 아닌 다른 형태로 결정구조가 변화됨이 관찰되었다.7 shows that the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of 2.5, the aging temperature and the aging time was maintained at 30 ℃ and 5 hours, respectively, the crystallization temperature and crystallization time at 90 ℃ and 5 hours, respectively In the SEM photograph of the zeolite synthesized according to the NaOH / CFA weight ratio, the crystal structure of Na-A zeolite was not observed at 0.1 adjusted NaOH / CFA weight ratio, but Na-A zeolite at NaOH / CFA weight ratio of 0.6-1.8. It was confirmed that the tetragonal crystal structure of was obtained, but it was found that the Na-A type zeolite particle size decreased as the NaOH / CFA weight ratio increased. However, when the NaOH / CFA weight ratio was 2.2, it was observed that the crystal structure was changed to a form other than Na-A zeolite.

따라서 본 발명에서는 결정화도가 우수한 제올라이트를 대량 생산하기 위해서는 NaOH/CFA 중량비의 조절이 필수적이며, 알칼리 첨가량에 따라서 제조비용이 상승하는 문제점이 발생하지만 알칼리함량이 높은 여과폐액을 재사용하여 제올라이트를 합성하는 경우 NaOH 소모량을 낮출 수 있으며, 제올라이트 시드의 공급이 필요없이도 제올라이트 합성이 가능하다.Therefore, in the present invention, in order to mass-produce zeolites having excellent crystallinity, it is necessary to control NaOH / CFA weight ratio, and a problem arises in that the manufacturing cost increases depending on the amount of alkali added. NaOH consumption can be lowered and zeolite synthesis is possible without the need for the supply of zeolite seeds.

상술된 결과로부터 화력발전소에서 배출되는 석탄비산재를 회수하여 재순환시켜 실제 제올라이트 합성공정을 운전할 경우 기존 방식들에 비해 낮은 온도 및 제올라이트 합성시간을 단축시킬 수 있으며, 여과폐액을 회수하여 재사용함으로써 알칼리함량을 높여 제올라이트 시드 공급을 생략할 수 있으므로 공정이 단순해지고 환경친화적일 뿐만 아니라 제올라이트의 대량 생산이 가능하다는 데에 의미가 있다.When operating the actual zeolite synthesis process by recovering and recycling the coal fly ash discharged from the thermal power plant from the above-described results, it is possible to shorten the temperature and the zeolite synthesis time compared to the existing methods, and to recover and reuse the filtered waste liquid to recover the alkali content. It is important to simplify the process and to be environmentally friendly, as well as to enable mass production of zeolites, since the zeolite seed supply can be omitted.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention.

따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments.

본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (4)

SiO2와 Al2O3를 포함하는 석탄비산재(Coal Fly Ash; CFA) 및 알칼리물질을 혼합하여 열처리를 통해 1차처리물을 형성하는 제1단계;
상기 1차처리물을 물에 용해시키고, 알루미늄 소스, 실리카 소스 및 제올라이트 시드 중 어느 하나 이상을 혼합하여 2차처리물을 형성하는 제2단계;
상기 2차처리물을 20~40℃에서 1~5시간 동안 숙성시켜 3차처리물을 형성하는 제3단계;
상기 3차처리물을 80~90℃에서 수열반응을 통해 1시간 내에 결정화시켜 4차처리물을 형성하는 제4단계; 및
상기 결정화 후 여과시 발생되는 여과폐액을 상기 제2단계로 회수하여 SiO2/Al2O3 몰비가 2.5인 조건에서 알칼리물질/석탄비산재 중량비가 0.6~1.8이 되도록 하여 재숙성 및 재결정화시켜 정방형 결정구조의 Na-A형 제올라이트를 합성하는 제5단계;를 포함하고,
상기 제5단계에서는,
상기 알칼리물질/석탄비산재의 중량비가 0.6~1.5 범위에서 상기 여과폐액이 재사용되며,
제올라이트 시드 추가 공급 없이 정방형 결정구조의 Na-A형 제올라이트를 합성하는 것을 특징으로 하는 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트의 합성방법.
A first step of forming a primary processed material through heat treatment by mixing a coal fly ash (CFA) and an alkali material including SiO 2 and Al 2 O 3 ;
Dissolving the primary treatment product in water and mixing at least one of an aluminum source, a silica source, and a zeolite seed to form a secondary treatment product;
A third step of aging the secondary treatment at 20-40 ° C. for 1-5 hours to form a tertiary treatment;
A fourth step of forming the fourth treated material by crystallizing the third treated material through a hydrothermal reaction at 80 to 90 ° C. in 1 hour; And
After the crystallization, the filtration waste solution generated during the filtration is recovered in the second step so that the weight ratio of the alkali material / coal fly ash is 0.6-1.8 under the condition that the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is 2.5. And a fifth step of synthesizing a Na-A zeolite having a crystal structure.
In the fifth step,
When the weight ratio of the alkali material / coal fly ash is 0.6 to 1.5, the filter waste liquid is reused,
A method for synthesizing an energy-reduced zeolite by reusing a filter waste fluid generated during zeolite synthesis, comprising synthesizing a Na-A zeolite having a square crystal structure without additional supply of zeolite seed.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제5단계에서는,
알칼리 수용액의 첨가로 pH 10 이상이 되도록 조절하면서 재숙성 및 재결정화시키는 것을 특징으로 하는 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트의 합성방법.
The method of claim 1,
In the fifth step,
A method for synthesizing an energy-reduced zeolite by reusing a filtrate solution generated during zeolite synthesis, wherein the mixture is re-matured and recrystallized while being adjusted to pH 10 or more by addition of an aqueous alkali solution.
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