KR20010096628A - Method for preparing porous silica, porous silica based molding material, and nano-sized silica particle derived from rice husk - Google Patents

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KR20010096628A
KR20010096628A KR1020010017082A KR20010017082A KR20010096628A KR 20010096628 A KR20010096628 A KR 20010096628A KR 1020010017082 A KR1020010017082 A KR 1020010017082A KR 20010017082 A KR20010017082 A KR 20010017082A KR 20010096628 A KR20010096628 A KR 20010096628A
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Abstract

PURPOSE: Provided is a preparation method of porous silica with nano-sized(less than 10nm) canals and pores from rice hulls or rice straws, silica formings using porous silica as a raw material, and homogeneous nano-sized silica particles(50-500nm) by separating porous silica. CONSTITUTION: The method for preparing porous silica is as follows: acid-treating rice hulls or rice straws; carbonizing by heating at 100-900deg.C for 1-6hrs. in anaerobic atmosphere; oxidizing by heating at 100-900deg.C for 1-6hrs. in aerobic atmosphere. The porous silica formings is obtained by pressing the prepared silica containing 5-100mol(based on 100mol of silicon) of at least one additive selected from oxides, chlorides and nitrides of Al, Mg, Zr, Co and Mo; heating at 500-1500deg.C in vacuum, inert(He, N2 and Ar) or reactive(H2, O2 and HF) atmosphere. The nano-sized silica particles are obtained by breaking canals in silica through a physical method., that is, mixing the prepared silica with solvent, followed by ultrasonic treating or freezing and thawing.

Description

왕겨로부터 제조되는 다공성 실리카, 다공성 실리카 성형체, 나노 크기 실리카 입자의 제조방법{METHOD FOR PREPARING POROUS SILICA, POROUS SILICA BASED MOLDING MATERIAL, AND NANO-SIZED SILICA PARTICLE DERIVED FROM RICE HUSK}Method for producing porous silica, porous silica molded body and nano-sized silica particles produced from rice husks

본 발명은 왕겨 또는 볏짚으로부터 얻어지는 다공성 실리카에 관한 것으로, 특히 왕겨나 볏짚으로부터 10 nm 이하의 골(canal)이나 세공을 가지는 다공성 실리카를 제조하는 방법, 상기 다공성 실리카를 이용하여 나노 크기의 골이나 세공을 가지는 실리카 성형체(성형판)를 제조하는 방법, 및 상기 다공성 실리카를 분리하여 나노 크기의 실리카 입자를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous silica obtained from chaff or rice straw, in particular a method for producing a porous silica having a canal or pores of less than 10 nm from chaff or rice straw, nano-sized bone or pores using the porous silica It relates to a method for producing a silica molded body (molding plate) having a, and a method for producing nano-sized silica particles by separating the porous silica.

식물에 실리카가 존재한다는 사실은 비교적 오래 전부터 알려져 왔다. 특히 벼는 왕겨나 볏짚에 약 10 중량% 정도에 해당하는 실리카를 포함하고 있으며, 고순도의 실리콘 원료(J. A. Amick, J. Electrochem. Soc. 129, 864 (1982); L. P. Hunt, et.r, J. Electrochem. Soc. 131, 1683 (1984)), 실리콘 카바이드의 원료(R. V. Krishnarao, et.r, J. Am. Chem. Soc. 74, 2869 (1991)), 시멘트 첨가물(Jose James, et.r, J. Sci. Ind. Res. 51, 383 (1992)) 등의 용도로 연구되고 있다. 이러한 실리카는 벼를 재배하는 아세아권에서는 잠재적인 자원의 하나이다.The presence of silica in plants has been known for a relatively long time. In particular, rice contains about 10% by weight of silica in rice hulls or rice straw, and has a high purity silicon raw material (JA Amick, J. Electrochem. Soc. 129, 864 (1982); LP Hunt, et.r, J Electrochem.Soc. 131, 1683 (1984)), raw materials of silicon carbide (RV Krishnarao, et.r, J. Am. Chem. Soc. 74, 2869 (1991)), cement additives (Jose James, et.r. , J. Sci. Ind. Res. 51, 383 (1992)). This silica is one of the potential resources in the Asia region where rice is grown.

이러한 실리카는 왕겨나 볏짚을 산으로 처리(독일공개특허공보 제276,671호, 중국공개특허공보 제1,062,315호, 중국공개특허공보 제1,039,000호, 중국공개특허공보 제1,039,568호, 소련특허 제1,699,918호)한 후 고온으로 처리하여 실리카를 얻을 수 있다. 이들 특허들은 얻어진 실리카의 구조보다는 얻어지는 물질이 실리카 성분이라는 데 주안점을 두었다.Such silica is treated with chaff or rice straw with acid (Germany Patent Publication No. 276,671, Chinese Patent Publication No. 1,062,315, Chinese Patent Publication No. 1,039,000, Chinese Patent Publication No. 1,039,568, Soviet Patent No. 1,699,918). After treatment at a high temperature can be obtained silica. These patents focus on the silica component rather than the structure of the silica obtained.

또한 왕겨나 볏짚을 효소로 처리한 후 고온에서 가열하면 실리카를 얻을 수 있다(대한민국 공개특허공보 제1995-18466호). 여기에서는 얻어진 실리카가 수 nm 정도의 세공을 가질 것이라고 언급하고 있으나, 볏짚이나 왕겨로부터 제조된 실리카의 세공의 양이나 세공의 크기, 세공의 형태, 그 세공이 어디에 기인하는지, 그 세공을 어떻게 이용할 수 있는 지에 대해서는 연구되지 않았다.In addition, after treating the rice husk or rice straw with an enzyme and heating at high temperature, silica can be obtained (Korean Patent Publication No. 1995--18466). Although it is mentioned here that the obtained silica will have pores of several nm, the amount of pores, the size of the pores, the form of the pores, and the origin of the pores of the silica prepared from rice straw or rice husk can be used. It is not studied if there is any.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 고려하여, 왕겨 또는 볏짚으로부터 10 ㎚ 이하의 골이나 세공을 가지는 다공성 실리카의 제조방법, 상기 다공성 실리카를 주원료로 하는 성형체의 제조방법, 및 그 세공을 붕괴시켜서 얻는 미세 실리카 입자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In view of the problems of the prior art, the present invention provides a method for producing a porous silica having a bone or pores of 10 nm or less from chaff or rice straw, a method for producing a molded article containing the porous silica as a main raw material, and obtained by breaking down the pores. It is an object to provide a method for producing fine silica particles.

도 1은 왕겨로부터 얻은 다공성 실리카의 전자현미경 사진이다.1 is an electron micrograph of porous silica obtained from rice husks.

도 2는 왕겨로부터 얻은 다공성 실리카의 세공 분포 그래프이다.2 is a pore distribution graph of porous silica obtained from rice husks.

도 3은 왕겨로부터 얻은 다공성 실리카에 초음파를 쪼인 후 얻은 전자현미경 사진이다.Figure 3 is an electron micrograph obtained after the ultrasonic wave to the porous silica obtained from the chaff.

도 4는 왕겨로부터 얻은 다공성 실리카에 초음파를 쪼인 후 얻은 세공 분포 그래프이다.Figure 4 is a pore distribution graph obtained after the ultrasonic wave to the porous silica obtained from the chaff.

도 5는 왕겨로부터 얻은 다공성 실리카를 압착하고 700 ℃의 온도로 가열한 후 얻은 전자현미경 사진이다.5 is an electron micrograph obtained after compressing the porous silica obtained from the chaff and heating to a temperature of 700 ℃.

도 6은 왕겨로부터 얻은 다공성 실리카를 압착하고 750 ℃의 온도로 가열한 후 얻은 전자현미경 사진이다.6 is an electron micrograph obtained after compressing the porous silica obtained from the chaff and heating to a temperature of 750 ℃.

도 7은 왕겨로부터 얻은 다공성 실리카를 압착하고 800 ℃의 온도로 가열한 후 얻은 전자현미경 사진이다.7 is an electron micrograph obtained after compressing the porous silica obtained from the chaff and heating to a temperature of 800 ℃.

도 8은 왕겨로부터 얻은 다공성 실리카를 압착하고 850 ℃의 온도로 가열한 후 얻은 전자현미경 사진이다.8 is an electron micrograph obtained after compressing the porous silica obtained from the chaff and heating to a temperature of 850 ℃.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 10 ㎚ 크기 이하의 골 또는 세공을 가지는 다공성 실리카의 제조 방법에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a porous silica having a bone or pores of 10 nm or less,

왕겨 또는 볏짚을 산처리 및 무산소 분위기에서 탄화시킨 후, 유산소 분위기에서 산화시키는 단계Chaff or rice straw is carbonized in an acid-treated and anoxic atmosphere and then oxidized in an aerobic atmosphere

를 포함하는 다공성 실리카의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a porous silica comprising a.

또한 본 발명은 다공성 실리카 성형체의 제조 방법에 있어서,In addition, the present invention is a method for producing a porous silica molded article,

a) 왕겨 또는 볏짚을 산처리 및 무산소 분위기에서 탄화시킨 후, 유산소a) chaff or rice straw is acidified and carbonized in an anaerobic atmosphere, followed by aerobic

분위기에서 산화시켜서 다공성 실리카를 제조하는 단계;Oxidizing in an atmosphere to produce porous silica;

b) 상기 a)단계의 다공성 실리카를 가압 성형하는 단계; 및b) pressure molding the porous silica of step a); And

c) 상기 b)단계의 성형물을 진공, 불활성 기체, 또는 반응성 기체 분위기c) the molding of step b) is vacuum, inert gas, or reactive gas atmosphere.

하에서 500 내지 1500 ℃의 온도로 가열 처리하는 단계Heat treatment to a temperature of 500 to 1500 ° C. under

를 포함하는 다공성 실리카 성형체의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a porous silica formed body comprising a.

또한 본 발명은 나노 크기 실리카 입자의 제조방법에 있어서,In addition, the present invention provides a method for producing nano-sized silica particles,

a) 왕겨 또는 볏짚을 산처리 및 무산소 분위기에서 탄화시킨 후, 유산소a) chaff or rice straw is acidified and carbonized in an anaerobic atmosphere, followed by aerobic

분위기에서 산화시켜서 다공성 실리카를 제조하는 단계;Oxidizing in an atmosphere to produce porous silica;

b) 상기 a)단계의 다공성 실리카를 물리적으로 처리하여 평균 입경이 50b) an average particle diameter of 50 by physically treating the porous silica of step a)

내지 500 ㎚인 실리카 입자로 분리하는 단계Separating into silica particles having from 500 nm to 500 nm

를 포함하는 나노 크기 실리카 입자의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing nano-sized silica particles comprising a.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 왕겨나 볏짚으로부터 10 ㎚ 이하의 골 또는 세공을 가지는 다공성 실리카를 용이하게 제조하는 방법, 상기 다공성 실리카의 골이나 세공을 이용할 수 있는 실리카 성형체의 제조 방법, 및 상기 다공성 실리카 왕겨나 볏짚으로부터 얻어지는 다공성 실리카의 골을 붕괴시킴으로써 평균입경이 50 내지 500 ㎚ 인 균일한 실리카 입자를 얻는 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a method for easily producing a porous silica having a bone or pores of 10 nm or less from rice husks or rice straws, a method for producing a silica molded body that can use the bones or pores of the porous silica, and the porous silica rice husks or rice straws. It is to provide a method of obtaining uniform silica particles having an average particle diameter of 50 to 500 nm by disrupting the valleys of the obtained porous silica.

먼저 왕겨 또는 볏짚으로부터 다공성 실리카를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.First, a method for producing porous silica from rice husk or rice straw will be described.

본 발명의 10 ㎚ 크기 이하의 골 또는 세공을 가지는 다공성 실리카의 제조 방법은 왕겨 또는 볏짚을 염산, 질산, 황산 등의 산으로 처리하고, 무산소 분위기에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 1 시간 내지 6 시간 동안 가열하여 탄화시킨후, 유산소(또는 공기) 분위기에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 1 시간 내지 6 시간 동안 가열하여 산화시켜서 다공성 실리카를 제조한다. 이렇게 제조되는 다공성 실리카는 미크론 크기를 가지며, 왕겨 또는 볏짚이 함유하는 실리카가 본래부터 가지는 10 ㎚ 이하의 골을 그대로 유지하게 된다. 만약 각각의 열처리 온도가 900 ℃를 초과하면 왕겨가 함유하는 골 또는 세공을 유지하기가 어렵다.Method for producing porous silica having a bone or pore size of 10 nm or less of the present invention is treated with chaff or rice straw with an acid such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, etc., in an oxygen-free atmosphere at a temperature of 100 ℃ to 900 ℃ for 1 hour to 6 Carbonized by heating for a time, and then oxidized by heating for 1 to 6 hours at a temperature of 100 ℃ to 900 ℃ in an aerobic (or air) atmosphere to prepare a porous silica. The porous silica prepared in this way has a micron size, and maintains a bone of 10 nm or less inherent in the silica contained in the rice hull or rice straw. If each heat treatment temperature exceeds 900 ℃ it is difficult to maintain the bone or pores contained in chaff.

상기 산처리는 왕겨 또는 볏짚에 함유되어 있는 유기물을 분해하여 녹여내는 역할과 볏짚이나 왕겨에 존재하는 금속 이온을 녹여내는 역할을 하는 것이며, 무산소 분위기에서의 가열처리는 왕겨 또는 볏짚을 탄화시키는 것이고, 유산소 분위기에서의 가열처리는 탄화된 왕겨 또는 볏짚을 최종으로 산화시키는 것이다.The acid treatment serves to decompose and dissolve organic matter contained in rice husk or rice straw and to dissolve metal ions present in rice straw or rice husk, and heat treatment in an oxygen-free atmosphere is to carbonize rice husk or rice straw, Heat treatment in an aerobic atmosphere is the final oxidation of the carbonized rice husk or rice straw.

따라서 이러한 산처리 및 가열처리는 크게 두 가지 방법으로 실시될 수 있다.Therefore, such acid treatment and heat treatment can be largely carried out in two ways.

제1의 방법은 왕겨 또는 볏짚을 그대로 염산, 질산, 황산 등의 산으로 산처리하고, 이 산처리물을 무산소 분위기(진공 또는 불활성 가스 분위기)에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리한 후, 다시 유산소 분위기에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 것이다.In the first method, the rice hull or rice straw is acid-treated as it is with acid such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, etc., and the acid treated product is subjected to an acid free atmosphere (vacuum or inert gas atmosphere) at a temperature of 100 to 900 ° C. for 1 hour to 6 After the heat treatment for a time, the heat treatment for 1 to 6 hours at a temperature of 100 ℃ to 900 ℃ again in an aerobic atmosphere.

다른 제2의 방법은 왕겨나 볏짚을 그대로 무산소 분위기에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하고, 이 가열처리물을 염산, 질산, 황산 등의 산으로 산처리한 후, 다시 유산소(또는 공기) 분위기에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 것이다.Another second method is heat treatment of chaff or rice straw as it is in an oxygen-free atmosphere at a temperature of 100 ℃ to 900 ℃ for 1 hour to 6 hours, the acid treatment of the heat treated with acid such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid In addition, heat treatment is performed for 1 hour to 6 hours at a temperature of 100 ° C to 900 ° C in an aerobic (or air) atmosphere.

상기 제1 방법은 산처리후에 탄화를 실시하고, 이를 산화시키는 것이고, 제2 방법의 탄화처리 후에 산처리를 실시하고, 이를 산화시키는 것이다. 특히 제2의 방법은 탄화 후에 산처리를 실시하게 되므로 왕겨 또는 볏짚에 함유되어 있는 잔류 유기물, 및 금속을 제거하기가 용이하여 보다 순도가 높은 다공성 실리카를 얻을 수 있는 장점이 있다.The first method is to perform carbonization after the acid treatment and oxidize it, and to perform the acid treatment after the carbonization treatment of the second method and to oxidize it. In particular, since the second method is subjected to acid treatment after carbonization, it is easy to remove residual organic matter and metal contained in rice hull or rice straw, and thus, there is an advantage of obtaining a higher purity porous silica.

이와 같은 방법으로 제조되는 다공성 실리카는 300 m2/g 이상의 큰 표면적을 가지며, 볏짚이나 왕겨로부터 종래의 방법보다 용이하게 고순도의 다공성 실리카를 제조할 수 있다. 본 발명의 제조방법으로 제조되는 다공성 실리카는 큰 표면적 및 고순도를 가지므로 기체 흡착제, 골을 이용한 액체 또는 기체 크로마토그래피의 충전재, 박막 크로마토그래피의 도포물질, 종이의 잉크 번짐 방지제 등의 용도로 다양하게 사용될 수 있다.Porous silica prepared by this method has a large surface area of 300 m 2 / g or more, it is possible to produce a high-purity porous silica more easily than conventional methods from rice straw or chaff. Porous silica prepared by the manufacturing method of the present invention has a large surface area and high purity, so that it can be used in various applications such as gas adsorbents, fillers for liquid or gas chromatography using bone, coating materials for thin layer chromatography, and ink bleeding inhibitors for paper. Can be used.

다음으로 상기 다공성 실리카를 주원료로 하는 실리카 성형체의 제조방법에 대하여 설명한다.Next, the manufacturing method of the silica molded body which uses the said porous silica as a main raw material is demonstrated.

상기 실리카 성형체는 상기에서 설명한 왕겨나 볏짚으로부터 얻어지는 10 nm 이하의 골을 가지는 다공성 실리카를 그대로 사용하거나 주원료로 사용하여 압착, 몰드 프레스 성형 등의 방법으로 가압 성형하고, 고온에서 가열함으로써 제조된다. 이러한 실리카 성형체는 왕겨나 볏짚으로부터 얻어지는 실리카의 10 ㎚ 이하의 골을 그대로 유지하게 된다. 이때 실리카 성형체는 열처리 온도와 시간 또는 실리카에 첨가하는 물질의 종류나 양에 따라서 다양한 물리적 성질을 가지게 되며, 이로부터 10 nm 이하의 골을 가지는 여러 가지 형태의 실리카 구조물을 제조할 수 있다.The silica molded body is manufactured by using a porous silica having a bone of 10 nm or less obtained from the chaff and rice straw described above as it is, or as a main raw material, by press molding by a method such as compression, mold press molding, or the like, and heating at a high temperature. Such a silica molded body retains the valley of 10 nm or less of silica obtained from chaff and rice straw. In this case, the silica molded body has various physical properties depending on the heat treatment temperature and time or the type or amount of the material added to the silica, and from this, various types of silica structures having a valley of 10 nm or less can be manufactured.

상기 다공성 실리카를 압착 성형할 때 알루미늄, 마그네슘, 티탄, 지르코늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 몰리브덴 및 텅스텐의 산화물, 질산화물, 염화물, 및 황산화물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 금속 화합물의 첨가제를 더욱 가하여 압착 성형할 수 있으며, 이러한 첨가제의 사용은 실리카의 실리콘 100 몰 중량부에 대하여 산화물이나 화합물내의 금속 성분 5 내지 100 몰 중량부에 해당하는 양이 첨가되는 것이 바람직하다. 이들 첨가제를 첨가하는 경우 성형 온도를 변화시킬 수 있으며 성형물의 기계적 강도, 흡착 능력, 분자들에 대한 친화력, 화학적 특성을 조절할 수 있다.Additives of metal compounds selected from the group consisting of oxides, nitrates, chlorides, and sulfur oxides of aluminum, magnesium, titanium, zirconium, chromium, iron, cobalt, nickel, molybdenum and tungsten when compression molding the porous silica Press molding may be further added, and the use of such an additive is preferably added in an amount corresponding to 5 to 100 mole parts by weight of the metal component in the oxide or compound with respect to 100 mole parts by weight of silicon of the silica. The addition of these additives can change the molding temperature and control the molding's mechanical strength, adsorption capacity, affinity for molecules and chemical properties.

상기에서 가압 성형되는 실리카 성형물은 진공, 불활성 기체, 또는 반응성 기체 분위기 하에서 500 내지 1500 ℃의 온도로 열처리하여 최종 실리카 성형체를 제조한다. 가열시간은 성형물의 종류, 크기, 두께에 따라서 다르므로 특별히 한정되지 않지만 10 분 이상이면 대부분 고르게 열처리가 가능하다.The silica molded product to be press-molded above is heat-treated at a temperature of 500 to 1500 ° C. under a vacuum, inert gas, or reactive gas atmosphere to produce a final silica molded body. The heating time varies depending on the type, size, and thickness of the molding, and is not particularly limited, but heat treatment can be performed evenly in most cases of 10 minutes or more.

상기 불활성 기체는 헬륨, 질소, 및 아르곤 등이 바람직하고, 반응성 기체는 수소, 산소, 및 불화 수소 등이 바람직하다. 이때 열처리 온도가 높아지면 성형체의 강도가 증가하고 반응 기체의 종류에 따라 성형체의 전체적인 다공성이 변화한다.The inert gas is preferably helium, nitrogen, argon or the like, and the reactive gas is preferably hydrogen, oxygen, hydrogen fluoride or the like. At this time, as the heat treatment temperature increases, the strength of the molded body increases and the overall porosity of the molded body changes according to the type of the reaction gas.

이렇게 제조되는 실리카 성형체는 화학 공정 중에서 정제, 여과 조작; 반도체 공정 중에서 초순수 제조, 청정실; 생물 공업에서 미세 생명체 또는 바이러스의분리; 박테리아나 바이러스 등을 사용하는 생화학 공격으로부터의 보호; 알레르기 물질이나 병원균의 제거가 필요한 무균실; 촉매의 담체; 광학 기기 부품; 및 기체의 정제 등에 다양하게 사용될 수 있다.The silica molded body thus produced can be purified and filtered in a chemical process; Ultrapure water production and clean room in semiconductor processes; Isolation of micro organisms or viruses in the biological industry; Protection against biochemical attack using bacteria or viruses; Clean room that requires the removal of allergens or pathogens; Catalyst carriers; Optical instrument components; And the purification of gases.

다음으로 나노 크기 실리카 입자의 제조방법에 대하여 설명한다.Next, the manufacturing method of a nano size silica particle is demonstrated.

본 발명의 나노 크기 실리카 입자의 제조방법은 상기에서 설명한 왕겨나 볏짚으로부터 얻는 10 nm 이하의 골을 가진 다공성 실리카를 물리적 방법으로 처리하여 골을 붕괴시켜서 나노 크기의 실리카 입자를 제조하는 것이다.Method for producing nano-sized silica particles of the present invention is to prepare a nano-sized silica particles by disintegrating the bone by physically treating porous silica having a bone of 10 nm or less obtained from the chaff or rice straw described above by a physical method.

이와 같은 물리적 처리는 거시적으로 미크론 이상의 크기였던 다공성 실리카를 50 내지 500 ㎚ 크기의 실리카 입자로 분리시키는 것으로, 일정한 크기의 매우 작은 크기의 실리카 입자를 대량 생산할 수 있는 잇점이 있다. 상기 물리적 처리는 초음파 조사, 동결 융해 등의 처리 방법이 사용될 수 있으며, 분쇄와 같이 강한 힘에 의한 기계적 처리와는 구별된다.This physical treatment separates porous silica, which was macroscopically larger than microns into 50 to 500 nm size silica particles, which has the advantage of being able to mass produce very small size silica particles of constant size. The physical treatment may be a treatment method such as ultrasonic irradiation, freeze thawing, etc., and is distinguished from mechanical treatment by a strong force such as grinding.

이와 같이 제조되는 실리카 입자는 매우 작고 균일한 입경을 가지므로 광섬유 재료, 내마모재료, 연마제, 공구 소재, 입자 분산, 고온 강도 소재, 광학 렌즈의 원료 등으로 다양하게 사용될 수 있다.Silica particles prepared as described above have a very small and uniform particle diameter, and thus may be used as various materials such as optical fiber materials, wear resistant materials, abrasives, tool materials, particle dispersion, high temperature strength materials, optical lenses, and the like.

이하의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, an Example is for illustrating this invention and is not limited only to these.

[실시예]EXAMPLE

실시예 1Example 1

세척된 왕겨를 1 몰 염산으로 6 내지 10 시간 동안 산처리하고, 여과 건조한후, 질소를 흘려주면서 200 ℃의 온도로 6 시간 동안 가열처리하였다. 가열처리된 왕겨를 다시 공기 중에서 600 ℃로 1 시간 동안 가열처리하여 실리카를 얻었다.The washed rice husks were acid treated with 1 mol hydrochloric acid for 6 to 10 hours, filtered and dried, and then heated to a temperature of 200 ° C. for 6 hours while flowing nitrogen. The heat-treated chaff was further heated in air at 600 ° C. for 1 hour to obtain silica.

이 실리카는 질소 흡착법으로 측정한 표면적이 327 ㎡/g을 나타내며, X-선 회절에서 두 배 회절각 22°부근에서 넓은 봉우리를 나타내며, 원자량 29의 실리콘 고체 핵자기 공명에서 -111 ppm의 날카로운 봉우리를 나타낸다. 얻어진 실리카는 508 ppm의 알루미늄, 498 ppm의 칼륨, 177 ppm의 칼슘, 100 ppm의 나트륨, 95 ppm의 철, 81 ppm의 마그네슘, 24 ppm의 티탄이 함유되어 있고, 실리카의 순도는 99.8 중량% 이상이다.This silica has a surface area of 327 m 2 / g measured by nitrogen adsorption, shows a broad peak at 22 ° of double diffraction angle in X-ray diffraction, and a sharp peak of -111 ppm at silicon solid nuclear magnetic resonance with atomic weight 29 Indicates. The resulting silica contains 508 ppm aluminum, 498 ppm potassium, 177 ppm calcium, 100 ppm sodium, 95 ppm iron, 81 ppm magnesium, 24 ppm titanium, and the purity of silica is 99.8% by weight or more. to be.

도 1은 얻어진 실리카의 전자 현미경 사진으로 지름 50 ㎚ 정도의 균일한 구형 실리카가 쌓여 있는 것을 관찰할 수 있다.1 is an electron micrograph of the obtained silica, and it can be observed that uniform spherical silica having a diameter of about 50 nm is accumulated.

도 2는 상기 실리카의 질소 흡착에 따른 세공 분포를 나타내는 것으로, 4 ㎚ 크기의 세공이 존재하고, 세공 부피는 0.24 ㎖/g이다. 도 2의 질소 흡착에 의한 세공 분포를 도 1의 전자 현미경 사진과 비교하면 실리카 입자들 간의 골이 4 ㎚ 정도의 폭을 가지고 있고, 그 골이 세공 역할을 하는 것으로 이해된다.Figure 2 shows the pore distribution according to the nitrogen adsorption of the silica, there is a pore of 4 nm size, the pore volume is 0.24 ml / g. Comparing the pore distribution by nitrogen adsorption of FIG. 2 with the electron micrograph of FIG. 1, it is understood that the valleys between the silica particles have a width of about 4 nm, and the valleys serve as pores.

벼에 존재하는 이러한 실리카 입자와 그 입자들 사이의 골(4 ㎚ 폭을 가짐)은 벼가 익었을 때 벼 서식지 주변의 미생물로부터 쌀알을 보호하면서 물과 공기는 통과시키는 역할을 하는 것으로 이해된다.It is understood that these silica particles present in rice and the valleys between them (4 nm wide) play a role in passing water and air while protecting rice grains from the microorganisms surrounding the rice habitat when the rice is ripe.

실시예 2Example 2

세척된 왕겨를 건조시킨 후 질소를 흘려주면서 200 ℃의 온도로 1 시간 동안 가열처리하였다. 가열처리된 왕겨를 1 몰 염산으로 6 내지 10 시간 처리하고, 여과하고 건조한 후, 다시 공기 중에서 600 ℃로 6 시간 동안 가열하여 실리카를 얻었다.The washed rice husks were dried and heated at a temperature of 200 ° C. for 1 hour while flowing nitrogen. The heat-treated rice husk was treated with 1 mol hydrochloric acid for 6 to 10 hours, filtered and dried, and then heated in air at 600 DEG C for 6 hours to obtain silica.

이 실리카의 질소 흡착법으로 측정한 표면적, X-선 회절의 두 배 회절각, 실리카 순도, 전자 현미경 구조, 세공 분포, 세공 부피 등이 실시예 1에서 얻은 실리카와 동일하였다.The surface area measured by nitrogen adsorption of this silica, twice the diffraction angle of X-ray diffraction, silica purity, electron microscope structure, pore distribution, pore volume, and the like were the same as those of the silica obtained in Example 1.

실시예 3, 4Examples 3 and 4

상기 실시예 1 및 실시예 2에서 얻은 각각의 다공성 실리카를 물과 함께 비이커에 넣고 25 ℃에서 100 watt 초음파 세척기로 초음파를 2 시간 동안 쪼인 후 건조하여 평균입경이 50 nm 인 실리카를 얻었다.Each of the porous silicas obtained in Examples 1 and 2 was placed in a beaker with water and the ultrasonic wave was spun for 2 hours with a 100 watt ultrasonic cleaner at 25 ° C., followed by drying to obtain silica having an average particle diameter of 50 nm.

도 3은 초음파를 쪼인 후 말린 시료를 전자현미경으로 관찰한 것이다. 도 1과 비교하여 실리카 입자 사이의 골이 넓어지거나 여러 개의 실리카 입자들이 덩어리를 이루고 있다. 초음파로 처리된 실리카의 질소 흡착법으로 측정한 표면적은 205 ㎡/g으로 처리 전보다 감소된 반면에, 세공 부피는 0.29 ㎖/g으로 처리 전보다 증가하였다.3 is an electron microscope to observe the dried sample after the ultrasound. Compared with FIG. 1, the valleys between the silica particles are widened or a plurality of silica particles are formed in agglomerates. The surface area measured by nitrogen adsorption of ultrasonically treated silica was reduced to 205 m 2 / g than before, while the pore volume was increased to 0.29 ml / g than before.

도 4는 초음파로 처리된 실리카의 세공분포로, 처리 전의 실리카의 세공 분포 그래프(도 2)와 비교해 볼 때, 초음파 처리 후에 세공의 분포가 넓어져 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 초음파 처리에 의해 실리카 입자들의 일부가 엉기기도 하지만 그 사이의 골의 폭을 크게 할 수 있으며, 실리카 입자들을 완전히 분리시킬 수 있음을 나타낸다.4 is a pore distribution of silica treated with ultrasonic waves, and it can be seen that the pore distribution is widened after ultrasonication as compared with the pore distribution graph of the silica before the treatment (FIG. 2). These results indicate that some of the silica particles may be entangled by sonication, but the width of the bones in between may be increased, and the silica particles may be completely separated.

실시예 5Example 5

상기 실시예 1에서 제조된 실리카를 물에 분산시킨 후, -10 ℃의 냉동고에서 완전 동결시키고, 이를 다시 50 ℃의 항온조에 넣고 급격히 융해시킨 후, 분산상태로 건조하여 실리카 입자를 얻었다.After dispersing the silica prepared in Example 1 in water, completely frozen in a freezer at -10 ℃, it was put in a thermostat at 50 ℃ again and rapidly melted, dried in a dispersed state to obtain silica particles.

융해된 실리카는 상기 실시예 3, 4의 초음파로 처리된 실리카와 마찬가지로 실리카 사이의 골이 넓어지거나 여러 개의 실리카 입자들이 덩어리를 이루고 있다. 동결융해된 실리카를 질소 흡착법으로 측정한 표면적은 205 ㎡/g으로, 처리 전보다 감소된 반면에, 세공 부피는 0.29 ㎖/g으로 처리 전보다 증가하였다.The fused silica has a wider valley between the silicas or a plurality of silica particles in the same way as the silica treated with ultrasonic waves of Examples 3 and 4. The surface area measured by nitrogen adsorption of the lysed silica was 205 m 2 / g, which was lower than before treatment, while the pore volume was increased to 0.29 ml / g than before treatment.

실시예 6Example 6

상기 실시예 1에서 제조된 실리카를 건식으로 가압 성형(몰드 프레스)하여 원판형 성형물을 제조하고, 이 성형물을 700 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃에서 각각 12 시간 동안 가열하여 최종으로 실리카의 골이 그대로 보존되어 있는 실리카 성형체를 제조하였다.Press-molding (molding) the silica prepared in Example 1 to prepare a disk-shaped molded product, and the molded product was heated at 700 ° C., 750 ° C., 800 ° C., and 850 ° C. for 12 hours, respectively. The silica molded body in which the bone was preserve | saved as it was produced.

도 5, 6, 7, 8은 상기 왕겨에서 얻어진 실리카를 압착하여 700 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃에서 각각 12 시간 동안 가열한 후 얻은 전자현미경 사진이다. 가열온도가 높아질수록 미세 조직이 치밀해짐을 알 수 있다.5, 6, 7, and 8 are electron micrographs obtained by compressing the silica obtained from the chaff and heating it at 700 ° C., 750 ° C., 800 ° C., and 850 ° C. for 12 hours. It can be seen that the microstructure becomes denser as the heating temperature increases.

표 1은 왕겨에서 얻어진 실리카를 원판형으로 압착하고, 각각 700 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃의 온도에서 12 시간 동안 가열한 후 얻은 시료를 사용하여 공기에 대한 투과율을 측정하고 동일 면적, 동일 두께에 대하여 환산한 상대적 크기, 질소 흡착법으로 측정한 표면적, 및 세공 총 부피를 나타낸 것이다. 처리 온도가 높아지면서 분자에 대한 공기의 투과도, 표면적, 및 세공의 총 부피가 감소하였다.Table 1 shows the silica obtained from the rice hulls in a disk shape, and after heating for 12 hours at temperatures of 700 ° C., 750 ° C., 800 ° C., and 850 ° C., respectively, the permeability to air is measured and the same area, It shows the relative size in terms of the same thickness, the surface area measured by the nitrogen adsorption method, and the total pore volume. As the treatment temperature increased, the air permeability, surface area, and total volume of pores to the molecules decreased.

구 분division 열처리 온도 ( ℃)Heat treatment temperature (℃) 700700 750750 800800 850850 공기투과도Air permeability 3.363.36 2.702.70 2.242.24 0.800.80 표면적(㎡/g)Surface area (㎡ / g) 161161 157157 128128 5959 세공총부피(㎖/g)Total pore volume (ml / g) 0.270.27 0.260.26 0.240.24 0.150.15

도 5, 6, 7, 8과 표 1은 압축 성형된 왕겨 실리카 구조물의 가열온도와 가열시간에 따라서 그 구조물의 치밀도 및 임의의 분자, 입자, 미생물에 대한 투과도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.5, 6, 7, 8 and Table 1 it can be seen that according to the heating temperature and the heating time of the compression-molded chaff silica structure, the density of the structure and the permeability to any molecules, particles, microorganisms can be adjusted. .

본 발명의 다공성 실리카의 제조 방법은 왕겨 또는 볏짚으로부터 10 nm 이하의 골을 가지는 미크론 이상 크기의 고순도 실리카를 용이하게 제조할 수 있으며, 실리카 성형체의 제조방법은 왕겨 또는 볏짚으로부터 얻어지는 실리카의 처리 온도와 시간 또는 실리카에 첨가하는 물질의 종류나 양에 따라서 다양한 성질을 가진 임의의 형태의 실리카를 주성분으로 하는 10 ㎚ 이하의 골을 가지는 성형 구조물을 제조할 수 있으며, 나노크기 실리카 입자의 제조방법은 일정한 크기의 매우 작은 실리카 입자를 대량 생산할 수 있다. 이와 같이 제조되는 다공성 실리카 입자, 실리카 성형체 및 실리카 입자는 다양한 분야에 용이하게 사용할 수 있다.The method for preparing porous silica of the present invention can easily prepare high-purity silica having a size of 10 microns or more from rice hulls or rice straws, and the method for preparing silica molded bodies is characterized by the processing temperature of silicas obtained from rice hulls or rice straws. Depending on the time or the type or amount of the material added to the silica can be produced a molded structure having a bone of 10 nm or less as the main component of any type of silica having a variety of properties, the method of producing nano-size silica particles It is possible to mass produce very small silica particles of size. The porous silica particles, silica molded bodies, and silica particles prepared as described above can be easily used in various fields.

Claims (15)

10 ㎚ 크기 이하의 골 또는 세공을 가지는 다공성 실리카의 제조방법에 있어서,In the method of producing a porous silica having a bone or pores of 10 nm size or less, 왕겨 또는 볏짚을 산처리 및 무산소 분위기에서의 탄화를 실시한 후, 유산소 분위기에서 산화시키는 단계Chaff or rice straw is subjected to acid treatment and carbonization in an oxygen-free atmosphere, followed by oxidation in an aerobic atmosphere. 를 포함하는 다공성 실리카의 제조방법.Method for producing a porous silica comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, ⅰ) 왕겨 또는 볏짚을 산처리하는 단계;Iii) acidifying the rice bran or rice straw; ⅱ) 상기 산처리물을 무산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Ii) the acid treated product at a temperature of 100 ° C. to 900 ° C. under an oxygen-free atmosphere. 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계; 및Heat treatment for 1 to 6 hours; And ⅲ) 상기 가열처리물을 유산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Iii) the heat treated product at a temperature of 100 ° C. to 900 ° C. under an aerobic atmosphere. 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계Heat treatment for 1 to 6 hours 를 포함하는 다공성 실리카의 제조방법.Method for producing a porous silica comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, ⅰ) 왕겨 또는 볏짚을 무산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Iii) the rice husk or rice straw at the temperature of 100 ℃ to 900 ℃ under an oxygen-free atmosphere 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계;Heat treatment for 1 to 6 hours; ⅱ) 상기 가열처리물을 산처리하는 단계; 및Ii) acid treating the heat treated product; And ⅲ) 상기 산처리물을 유산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Iii) the acid treated product at a temperature of 100 ° C. to 900 ° C. under an aerobic atmosphere. 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계Heat treatment for 1 to 6 hours 를 포함하는 다공성 실리카의 제조방법.Method for producing a porous silica comprising a. 다공성 실리카 성형체의 제조 방법에 있어서,In the method for producing a porous silica compact, a) 왕겨 또는 볏짚을 산처리 및 무산소 분위기에서의 탄화를 실시한 후,a) after chaff or rice straw is acidified and carbonized in an oxygen-free atmosphere, 유산소 분위기에서 산화시켜서 다공성 실리카를 제조하는 단계;Oxidizing in an aerobic atmosphere to produce porous silica; b) 상기 a)단계의 다공성 실리카를 가압 성형하는 단계; 및b) pressure molding the porous silica of step a); And c) 상기 b)단계의 성형물을 진공, 불활성 기체, 또는 반응성 기체 분위기c) the molding of step b) is vacuum, inert gas, or reactive gas atmosphere. 하에서 500 내지 1500 ℃의 온도로 가열 처리하는 단계Heat treatment to a temperature of 500 to 1500 ° C. under 를 포함하는 다공성 실리카 성형체의 제조방법.Method for producing a porous silica molded body comprising a. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 a)단계의 다공성 실리카가The porous silica of step a) ⅰ) 왕겨 또는 볏짚을 산처리하는 단계;Iii) acidifying the rice bran or rice straw; ⅱ) 상기 산처리물을 무산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Ii) the acid treated product at a temperature of 100 ° C. to 900 ° C. under an oxygen-free atmosphere. 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계; 및Heat treatment for 1 to 6 hours; And ⅲ) 상기 가열처리물을 유산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Iii) the heat treated product at a temperature of 100 ° C. to 900 ° C. under an aerobic atmosphere. 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계Heat treatment for 1 to 6 hours 를 포함하는 방법으로 제조되는 다공성 실리카 성형체의 제조방법.Method for producing a porous silica molded body produced by the method comprising a. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 a)단계의 다공성 실리카가The porous silica of step a) ⅰ) 왕겨 또는 볏짚을 무산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Iii) the rice husk or rice straw at the temperature of 100 ℃ to 900 ℃ under an oxygen-free atmosphere 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계;Heat treatment for 1 to 6 hours; ⅱ) 상기 가열처리물을 산처리하는 단계; 및Ii) acid treating the heat treated product; And ⅲ) 상기 산처리물을 유산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Iii) the acid treated product at a temperature of 100 ° C. to 900 ° C. under an aerobic atmosphere. 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계Heat treatment for 1 to 6 hours 를 포함하는 방법으로 제조되는 다공성 실리카 성형체의 제조방법.Method for producing a porous silica molded body produced by the method comprising a. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 b)단계의 압착 성형은 실리카에 금속 화합물의 첨가제를 더욱 첨가하여 실시되는 다공성 실리카 성형체의 제조방법.The compression molding of step b) is a method for producing a porous silica formed by further adding an additive of a metal compound to silica. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 첨가제가 알루미늄, 마그네슘, 티탄, 지르코니움, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 및 텅스텐의 산화물, 염화물, 질산화물, 및 황산화물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 다공성 실리카 성형체의 제조방법.Method for producing a porous silica molded body wherein the additive is at least one selected from the group consisting of oxides, chlorides, nitrates, and sulfur oxides of aluminum, magnesium, titanium, zirconium, chromium, iron, cobalt, nickel, molybdenum, and tungsten. . 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 첨가제가 실리카의 실리콘 100 몰에 대하여 첨가제 중 금속 성분 5 내지 100 몰에 해당하는 양으로 첨가되는 다공성 실리카 성형체의 제조방법.The additive is a method for producing a porous silica molded body is added in an amount corresponding to 5 to 100 moles of the metal component in the additive with respect to 100 moles of silicon of the silica. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 c)단계의 불활성 기체는 헬륨, 질소, 및 아르곤으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 반응성 기체는 수소, 산소, 및 불화 수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 다공성 실리카 성형체의 제조방법.The method of preparing a porous silica formed body is selected from the group consisting of helium, nitrogen, and argon, and the reactive gas is selected from the group consisting of hydrogen, oxygen, and hydrogen fluoride. 나노 크기 실리카 입자의 제조방법에 있어서,In the method for producing nano-sized silica particles, a) 왕겨 또는 볏짚을 산처리 및 무산소 분위기에서의 탄화를 실시한 후,a) after chaff or rice straw is acidified and carbonized in an oxygen-free atmosphere, 유산소 분위기에서 산화시켜서 다공성 실리카를 제조하는 단계; 및Oxidizing in an aerobic atmosphere to produce porous silica; And b) 상기 a)단계의 다공성 실리카를 물리적으로 처리하여 평균 입경이 50b) an average particle diameter of 50 by physically treating the porous silica of step a) 내지 500 ㎚인 실리카 입자로 분리하는 단계Separating into silica particles having from 500 nm to 500 nm 를 포함하는 나노 크기 실리카 입자의 제조방법.Method for producing nano-sized silica particles comprising a. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 a)단계의 다공성 실리카가The porous silica of step a) ⅰ) 왕겨 또는 볏짚을 산처리하는 단계;Iii) acidifying the rice bran or rice straw; ⅱ) 상기 산처리물을 무산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Ii) the acid treated product at a temperature of 100 ° C. to 900 ° C. under an oxygen-free atmosphere. 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계; 및Heat treatment for 1 to 6 hours; And ⅲ) 상기 가열처리물을 유산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Iii) the heat treated product at a temperature of 100 ° C. to 900 ° C. under an aerobic atmosphere. 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계Heat treatment for 1 to 6 hours 를 포함하는 방법으로 제조되는 나노 크기 실리카 입자의 제조방법.Method for producing nano-sized silica particles produced by a method comprising a. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 a)단계의 다공성 실리카가The porous silica of step a) ⅰ) 왕겨 또는 볏짚을 무산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Iii) the rice husk or rice straw at the temperature of 100 ℃ to 900 ℃ under an oxygen-free atmosphere 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계;Heat treatment for 1 to 6 hours; ⅱ) 상기 가열처리물을 산처리하는 단계; 및Ii) acid treating the heat treated product; And ⅲ) 상기 산처리물을 유산소 분위기 하에서 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로Iii) the acid treated product at a temperature of 100 ° C. to 900 ° C. under an aerobic atmosphere. 1 시간 내지 6 시간 동안 가열처리하는 단계Heat treatment for 1 to 6 hours 를 포함하는 방법으로 제조되는 나노 크기 실리카 입자의 제조방법.Method for producing nano-sized silica particles produced by a method comprising a. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 b)단계의 물리적 처리가 실리카를 용매에 혼합한 후 초음파 처리를 실시하는 것인 나노 크기 실리카 입자의 제조방법.The physical treatment of step b) is a method for producing nano-sized silica particles that is subjected to ultrasonic treatment after mixing the silica with the solvent. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 b)단계의 물리적 처리가 실리카를 용매에 혼합한 후 동결 융해를 실시하는 것인 나노 크기 실리카 입자의 제조방법.The physical treatment of step b) is a method for producing nano-sized silica particles that is freeze melting after mixing the silica in the solvent.
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