KR20010106028A - 초미립 구형 실리카겔의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초미립 구형 실리카겔의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 1㎛∼350㎛의 범위 내에서 입자크기를 자유롭게 조절하여 올레핀 중합용 촉매의 담지체, 하니콤 구조 촉매의 담지체와 같은 촉매담체 및 화장품용 특수 기능제, 항균·탈취제의 담체 등 다양한 용도로 사용될 수 있는 완전 구형의 강도 높은 다공성 실리카겔을 제조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 규산알칼리 수용액과 산 용액의 원료를 당량비로 조립노즐에 투입하는 단계; 조립노즐에 투입된 원료를 단시간에 혼합 반응시켜 졸 상태의 비드를 생성하고 노즐을 통해 내보내면서 다시 고압분사하여 2㎛∼700㎛까지 미세하게 분산·분사시키는 단계; 분사된 미립 비드가 자유낙하 하면서 구형의 하이드로 겔을 형성하는 단계; 형성된 하이드로 겔을 숙성하는 후처리 단계 및 건조단계로 이루어진 초미립 구형 실리카겔의 제조방법이 제공된다.

Description

초미립 구형 실리카겔의 제조방법 및 제조장치 {A METHOD AND APPARATUS FOR PREPARING A SPHERICAL PARTICLE OF SILICA GEL}

본 발명은 초미립 구형 실리카겔의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 특히 1㎛∼350㎛의 범위 내에서 입자크기를 자유롭게 조절하여 올레핀 중합용 촉매의 담지체, 하니콤 구조 촉매의 담지체와 같은 촉매담체 및 화장품용 특수 기능제, 항균·탈취제의 담체 등 다양한 용도로 사용될 수 있는 완전 구형의 강도 높은 다공성 실리카겔을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래에 미립 실리카겔의 제조방법으로는 크게 1) 실리카졸이나 실리카 알콕사이드로 겔반응을 시킨 후 콜로이달 상태의 겔을 스프레이 건조하여 미립구형 실리카를 제조하는 졸겔법(대한민국 특허공개 제1989-4983호)과; 2) 규산알칼리와 산과의 중화반응을 이용하여 실리카겔을 제조하는 산성 실리카겔법(미국 특허 제4,675,122호, 일본 특개평 3-23,487호)이 있으며, 이밖에 비교적 입자가 큰 1㎜∼6㎜의 실리카겔을 제조하는 알칼리성 실리카겔법이 있다.

졸-겔법의 경우 5㎛ 이하부터 나노사이즈까지 제조할 수 있어 화장품, 의약품 등에 사용되는 초미립 실리카겔의 제조에 주로 사용되나, 제조비용이 고가이고, 일반적으로 촉매의 담체로 사용되는 크기인 20㎛∼205㎛의 입도를 생산하기 어렵고, 입자의 형태 또한 유사구형으로 촉매로서 바람직한 형태인 완전 구형으로 제조하기 어렵다는 문제가 있다.

산성 실리카겔법과 알칼리성 실리카겔 법은 모두 규산알칼리와 산을 중화시켜 겔을 형성하는 방법인데, 이때 겔화가 pH 2 이하의 산성에서 이루어지는 것을 산성 실리카겔법, pH 9∼13의 알칼리성에서 겔화가 이루어지는 것을 알칼리성 실리카겔법이라 한다. 겔화시 산성이 클 수록 겔화속도가 느려 구형겔의 형성이 어려우므로 산성 실리카겔법에서는 구형겔의 형성이 불가능하고 결국 겔화된 후 후분쇄 공정을 거쳐 실리카겔의 입도를 미립화하기 때문에 별도의 분쇄공정이 필요하다. 반면, 알칼리성에서는 겔화가 빨라 쉽게 구형겔이 형성되나 흡습제 등의 용도로 사용되는 1㎜∼6㎜의 비교적 큰 입자크기로 겔이 형성되므로 촉매의 담지체와 같은 용도로 사용하기 위한 20㎛∼205㎛의 미립 실리카겔은 종래의 알칼리성 실리카겔법으로는 제조할 수 없었다.

현재 실리카겔은 여러 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있고 용도에 따라 요구되는 크기와 성상 또한 다양하다. 실리카겔은 특히 다공성으로 비표면적이 크고 화학적으로 안정하다는 특성에 기해 여러 촉매물질의 담체로 사용되고 있다. 촉매의 담체로 사용될 경우의 실리카겔은 적합한 크기의 구형(완전 구형)에 세공용적이 클 것이 요구되는데 이는 실리카겔의 비표면적이 클 수록 촉매의 담지량이 많아져 반응성이 좋아지기 때문이다. 그러나 상기한 바와 같이 종래의 실리카겔 제조법으로는 이러한 요건을 만족시키기 어려웠다.

즉, 졸겔법은 5㎛ 이하의 극히 초미립 유사구형 실리카겔을 제조하는 방법으로 촉매의 담체로 요구되는 20㎛∼205㎛(바람직하게는 50㎛∼90㎛)의 입도를 갖는 완전구형의 실리카겔을 제조하기 어렵고, 제조비용이 고가라서 촉매의 담체로 사용되는 실리카겔의 제조에는 적합하지 않았다. 오히려 제조비용이 저렴한 산성실리카겔이 종래에 이러한 용도로 사용되었는데 이는 촉매담지에 필요한 세공용적의 조절이 용이하여 숙성조건과 같은 후처리공정에서 세공용적이 큰 실리카겔을 제조할 수 있었기 때문이다. 그러나 상기한 바와 같이 분쇄공정을 통해 얻어지는 산성 실리카겔의 입자는 촉매로서 바람직한 구형의 형상을 가질 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 알칼리성 실리카겔법은 겔화속도가 빨라 구형제조는 용이하나 세공용적 조절이 1.35cc/g에서 한계를 보이고, 성형가능한 구형 실리카겔의 직경이 1㎜∼6㎜의비교적 큰 사이만을 제조할 수 있으므로 촉매의 담체로 사용되는 미립 실리카겔의 제조에는 이용할 수 없다는 한계가 있었다.

촉매 담지용 실리카겔의 경우 1㎛∼350㎛, 바람직하게는 2㎛∼205㎛의 범위내에서 조절가능한 입도를 갖고, 완전 구형이며, 세공용적이 클 것이 요구되나, 종래의 실리카겔 제조방법으로는 이러한 요건을 모두 만족시키는 실리카겔의 제조가 어려웠다.

이에 본 발명에서는 1㎛∼350㎛의 범위내에서 원하는 입도로 자유롭게 입자크기를 조절할 수 있는 완전구형의 강도 높은 초미립 다공성 실리카겔을 제조하는 방법과 그 장치를 제공하고자 한다.

즉, 본 발명의 제 1 목적은 종래의 알칼리성 구형 실리카겔의 제조방법을 개선하여 규산 알칼리 수용액과 산 용액의 원료를 혼합 반응시켜 생성된 비드를 노즐을 통해 내보내면서 이를 고압으로 다시 분사시켜 미세하게 분산함으로써 미립 비드가 자유낙하 하면서 구형으로 겔화되어 1㎛∼350㎛ 범위의 미세한 입자크기를 갖는 완전구형의 강도 높은 실리카겔을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 상기 입도범위(1㎛∼350㎛) 내에서 입자크기를 자유롭게 조절할 수 있는 실리카겔의 제조방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 겔화시킨후 후처리공정과 건조공정을 통해 세공용적 1.2∼3.5cc/g, 비표면적 180∼810㎡/g, 세공크기 80∼450Å인 초미립 다공성 실리카겔을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은 수율이 높고 경제적인 방법으로 초미립 구형 실리카겔을 제공하는 것이다.

특히 본 발명의 구체적인 목적은 올레핀 중합용 촉매의 담지체로 적합한 초미립 다공성 구형 실리카겔을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 용도에 따라 입자도, 세공크기, 세공경 등이 조절되어 하니콤 구조 촉매의 담지체, 화장품용 특수 기능제, 항균·탈취제의 담체, 메탈옥사이드를 담지한 광촉매 등 다양한 용도에 사용될 수 있는 초미립 구형 실리카겔을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 에어노즐 방식의 제조장치를 간략하게 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 스프레이노즐 방식의 제조장치를 간략하게 도시한 것이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 원료탱크 20 : 조립노즐

21 : 스트로우노즐 22 : 에어분사노즐

23 : 스프레이노즐 30 : 조립호파

40 : 산처리 및 수세탱크 50 : 열처리 탱크

53 : 스팀주입구 60 : 건조장치

본 발명에서는 규산알칼리 수용액과 산 용액의 원료를 당량비로 조립노즐에 투입하는 단계; 조립노즐에 투입된 원료를 단시간에 혼합 반응시켜 졸 상태의 비드를 생성하고 노즐을 통해 내보내면서 다시 고압분사하여 2㎛∼700㎛까지 미세하게 분산·분사시키는 단계; 분사된 미립 비드가 자유낙하 하면서 구형의 하이드로 겔을 형성하는 단계; 형성된 하이드로 겔을 산처리하고 세척하여 숙성시키는 후처리 단계 및 후처리된 겔을 건조하는 건조단계로 이루어진 입자도 1㎛∼350㎛, 세공용적 1.2∼3.5cc/g, 세공경 80∼450Å, 비표면적 180∼810㎡/g의 초미립 구형 실리카겔의 제조방법이 제공된다.

상기 고압분사 방법의 하나로, 상기 조립노즐 후단에 스트로우노즐을 장착하고 스트로우노즐로부터 분사되어 나오는 졸 상태의 비드를 외부에서 에어분사노즐로 고압의 에어를 분사하여 분산시키는 방법이 제공된다.

고압분사의 또 다른 방법으로, 상기 조립노즐 후단에 가압장치가 구비된 스프레이노즐을 장착하여 조립노즐로부터 생성되어 나오는 비드를 그대로 고압으로 다시 미세하게 분산·분사시키는 방법이 제공된다.

상기 후처리 단계에는 산처리 및 세척이 끝난 겔을 세공용적을 키우기 위해 pH 11∼13으로 처리하는 알칼리처리 공정 및/또는 겔을 70℃∼90℃로 스팀처리하는 열처리 공정이 부가될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기와 같은 방법으로 원하는 구형 실리카겔을 제조하기 위해, 제조장치가 제공된다. 본 발명의 제조장치는 반응원료인 규산 알칼리 수용액과 산 용액을 각각 보관하는 원료탱크와; 원료탱크로부터 투입된 원료를 순간적으로 혼합 반응시켜 졸 상태의 비드를 생성하고 분사시키는, 순간혼합기가 구비된 조립노즐과; 상기 조립노즐을 통해 나오는 비드를 2㎛∼700㎛로 미세하게 분산·분사시키는 고압분사수단과; 미세하게 분산된 비드가 자유낙하 하면서 구형의 하이드로 겔을 형성하면 이를 수용하는 조립호퍼와; 상기 조립호퍼로부터 이송된 하이드로 겔을 숙성시키는 산처리 및 수세탱크를 포함하는 후처리장치와; 겔을 순간적으로 건조시키는 스프레이드라이어가 구비된 건조장치로 이루어진다.

본 발명의 1 실시예에서 상기 고압분산수단은 상기 조립노즐 후단에 장착된 스트로우노즐과; 스트로우노즐로부터 분사되어 나오는 졸 상태의 비드에 고압에어를 분사하여 비드를 미세하게 분산·분사시키는 에어분사노즐로 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 고압분사수단은 상기 조립노즐 후단에 장착되어 생성된 비드를 고압으로 분사시키는 스프레이노즐로 구성된다.

상기 원료탱크에는 원료를 정확한 당량비로 내보내기 위한 수단으로, 탱크에 일정한 압력을 가하는 가압장치 또는 정량펌프가 포함될 수 있다.

상기 후처리 장치에는 열처리 탱크가 부가적으로 포함될 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

<제조방법>

본 발명에 따른 초미립 구형 실리카겔의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명한다.

(1) 제 1 단계

규산알칼리 수용액과 산 용액의 원료를 당량비로 조립노즐에 투입한다.

본 발명에서 원료로 사용하는 규산 알칼리로는 규산 나트륨, 규산칼륨 등의 이용 가능한 모든 규산 알칼리가 사용될 수 있으며, 특히 제한되는 것은 아니나 바람직하게는 대량 공급이 용이하고 저가인 규산 나트륨을 사용한다. 반응조의 크기, 경제성 등을 고려하여 규산 나트륨 용액의 농도는 8%∼28% 범위내에서 사용하는 것이 바람직하다.

산 용액으로는 황산, 염산, 질산 또는 초산 등과 같은 여러 무기산을 사용할 수 있다. 그러나, 원료와의 반응성을 고려할 때 통상 황산을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 사용되는 적정 산 농도는 반응조의 크기, 반응의 용이성 및 균일성을 고려하여 조절하며, 통상 4∼18%의 범위내에서 반응시키는 것이 바람직하다.

규산 알칼리 수용액과 산 용액은 당량비로 노즐에 공급하여 단시간에 혼합반응시킨다. 이때 당량비를 정확하게 조절하는 것이 중요한데, 이는 pH가 높은 알카리 영역에서는 혼합비가 0.1∼0.5의 오차한계 범위만 벗어나도 겔화가 고르게 이루어지지 않아 건조시 구형 겔의 제조 수율이 낮아지는 현상이 발생하기 때문이다.

(2) 제 2 단계

조립노즐에 투입된 원료를 단시간에 혼합 반응시켜 졸 상태의 비드를 생성하고 노즐을 통해 내보내면서 다시 고압분사하여 2㎛∼700㎛까지 미세하게 분산·분사시킨다.

당량비로 투입된 규산 알칼리 수용액과 산 용액은 조립노즐내에서 단시간에 혼합 반응하여 졸상태의 비드를 생성하고 생성된 비드는 생성과 거의 동시에 분사된다.

노즐에서 내보내는 비드를 고압으로 분사시키는 방법은 크게 2가지가 있다. 본 발명의 1 실시예에서는 상기 조립노즐 후단에 스트로우노즐을 장착하고 스트로우노즐로부터 분사되는(분사압은 통상 1㎏/㎠∼10㎏/㎠) 졸 상태의 비드를 외부에서 에어분사노즐로 고압의 에어를 분사하여 2㎛∼700㎛까지 미세하게 분산시킨다. 이때 에어분사노즐의 사이즈와 분사압력에 따라 최종적으로 수득되는 구형 실리카겔의 입자크기가 조절될 수 있으며, 분사압력은 통상 4㎏/㎠∼25㎏/㎠ 범위가 적당하다. 이와 같은 방식을 이용하여 비드를 분산시킬 경우 최종적으로 수득되는 구형 실리카겔의 입자크기는 1㎛∼350㎛ 범위가 된다. 그러나 비드를 너무 미세하게 분산시킬 경우 미세 입자가 비산되어 수율이 낮아지게 되므로, 이 방법은 수율측면에서 20㎛ 이상의 입자를 얻고자 할 경우 적용하는 것이 바람직하다. 20㎛ 미만의 극히 미세한 입자를 얻고자 할 경우에는 다음에 설명하는 스프레이노즐을 사용하는 고압분사 방법이 보다 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 상기 조립노즐 후단에서 생성되어 나오는 비드를 그대로 고압으로 분산·분사시키는 방법이 사용된다. 본 방법은 상기 조립노즐 후단에 가압장치가 구비된 스프레이노즐을 장착하여 수행될 수 있다. 본 방법 또한 상기 에어분사 방식과 마찬가지로 최종적으로 수득되는 구형 실리카겔의 입자크기는 1㎛∼350㎛ 범위내에서 가능하다. 그러나, 본 방법의 경우 상기 에어분사 방식에 비해 극히 미세하게 비드를 분산시킬 경우에도 수율이 좋기 때문에 20㎛ 미만의 미세입자를 제조할 경우 보다 적합하다.

투입된 원료를 반응시켜 비드를 생성·분사하고 다시 한 번 더욱 미세하게 분산시키는 본 단계는, 하이드로 졸 상태에서 미세분산이 이루어질 수 있도록 전과정이 매우 단시간에 이루어져야 한다.

(3) 제 3 단계

상기 제 2 단계에서 분산된 미립 비드는 자유낙하 하면서 구형의 겔을 형성하게 된다.

형성된 겔은 아직 수분함량이 많은 하이드로 겔의 상태로(수분 80%), 이 하이드로 겔의 pH는 9∼11의 알칼리 상태를 유지하도록 한다. 형성된 겔은 다음 단계로 이송하기 위해 일단 호파와 같은 용기에 수용된다.

형성된 하이드로 겔이 용기내에서 서로 엉겨 붙는 것을 방지하기 위해 바람직하게는 분산제를 투입하여 용기내에서 분산시킨 후 후처리를 위해 다음 단계로이송할 수 있다.

(4) 제 4 단계

상기 제 3 단계에서 얻은 구형 하이드로 겔을 숙성시키면서 겔 특성을 조절한다.

상기 제 3 단계에서 얻은 구형 하이드로 겔은 외부 충격에 매우 약한 상태이므로 먼저 강도부여를 위해 산처리를 하여 숙성시킨다.

숙성과정은 바람직하게는 생성된 하이드로 겔을 황산용액에 넣고, pH 1.0 정도에서 변화가 없을 때까지 계속적으로 황산을 투입한 후, 산성분위기에서 10∼20 시간 동안 유지시킨다. 이때 바람직하게는 황산수용액 탱크로 이송된 하이드로 겔이 침강되지 않도록 공기를 공급하여 에어버블을 해준다. 산 용액에서의 숙성과정이 끝나면 겔을 세척한다.

세척은 바람직하게는 겔 5% 상등액의 pH가 7.0 이상이고 비저항이 6000Ω㎝ 이상이 될 때까지 이온교환수로 세척한다.

세척된 겔은 바람직하게는 강도를 높이고 세공용적을 증가시키기 위해 다음의 알칼리 처리나 열처리 처리를 할 수 있다.

알칼리 처리는 산처리가 끝난 실리카겔을 pH 11∼13의 알칼리 용액에 넣어 pH를 급격하게 변화시키는 과정으로, pH 11∼13의 알칼리 용액에 2∼8 시간 정도 겔을 침지시킨다. 알칼리 용액으로는 통상의 알칼리 용액이 모두 사용될 수 있으며, 예를 들면, 암모니아 용액, 수산화나트륨 용액, 수산화칼륨 용액 등이 사용될 수 있다. 알칼리 처리는 급격한 pH의 변화로 실리카겔의 세공용적을 증대시키는역할을 하게 된다.

열처리는 산처리가 끝난 겔을 일정시간 일정온도 범위로 유지시키는 과정이다. 바람직하게는 스팀으로 열을 가해 겔의 온도를 70∼90℃로 유지시키면서 12∼25시간 동안 처리하는 스팀 열처리 방법을 사용한다. 열처리를 통해 겔의 강도가 높아지고 세공용적 또한 조절된다.

상기 알칼리 처리와 열처리는 얻고자하는 겔 특성에 따라 선택적으로 각각 또는 함께 실시될 수 있다.

(5) 제 5 단계

상기 제 4 단계의 후처리가 끝난 겔은 함수율 5% 정도가 되도록 순간적으로 건조된다. 건조과정에서는 구형의 형태를 유지하면서 세공용적, 비표면적을 조절하기 위하여 바람직하게는 스프레이 드라이어를 사용하며, 세공용적과 비표면적을 각각 단독으로 조절하기 위하여 뱃지 건조기를 동시에 사용할 수도 있다.

최종적으로 얻어진 실리카겔은 입자도 1㎛∼350㎛, 세공용적 1.2∼3.5cc/g, 세공경 80∼450Å, 비표면적 180∼810㎡/g의 초미립 다공성 구형 실리카겔이다. 입자크기는 용도에 따라 상기 입자도 범위내에서 조절될 수 있으며, 조절방법은 구체적으로 상기 에어분사노즐과 스프레이노즐의 크기와 압력을 조절하여 입자크기를 조절하고, 알칼리처리, 열처리, 건조공정을 통해 세공용적, 세공경과 같은 겔 특성을 조절한다.

<제조장치>

이하, 상기와 같은 제조과정이 수행되는 본 발명의 제조장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 에어노즐 방식의 제조장치를 간략하게 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 스프레이노즐 방식의 제조장치를 간략하게 도시한 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조장치는 크게 원료탱크, 조립노즐, 고압분사수단, 조립호퍼, 후처리장치 및 건조장치의 기본 구성으로 이루어진다.

원료탱크(10)에서는 반응원료인 규산 알칼리 수용액과 산 용액을 각각 보관하고 일정한 당량비로 이들 원료를 조립노즐로 보낸다. 원료탱크에는 원료를 정확한 당량비로 내보내기 위한 수단으로, 탱크에 일정한 압력을 가해 원료를 이송시키는 가압장치(도시되지 않음) 또는 정량펌프(도시되지 않음)가 부가적으로 포함될 수 있다.

조립노즐(20)은 원료탱크(10)로부터 당량비로 투입된 원료를 순간적으로 혼합 반응시켜 졸 상태의 비드를 생성하면서 내보낸다. 상기 조립노즐(20)의 내부에는 원료의 순간적인 혼합을 보다 용이하게 하기 위한 순간혼합기(도시 되지 않음)가 구비된다. 조립노즐(20)에서 내보내는 졸 상태의 비드는 고압분사수단에 의해 다시 약 2㎛∼700㎛까지 미세하게 분산되어 낙하하면서 미세한 입자의 구형 하이드로 겔을 형성하게 된다.

도 1에 도시된 장치는 고압분사수단으로 스트로우노즐(straw nozzle)(21)과 에어분사노즐(22)을 구비한다. 스트로우노즐(straw nozzle)(21)은 조립노즐(20)의후단에 부착되어 비드를 외부로 분사시켜 주는 역할을 하게 된다. 에어분사노즐(22)은 스트로우노즐(21)로부터 분사되는 비드에 고압의 에어를 분사하여 비드를 2㎛∼700㎛의 미세입자로 분산시키는 역할을 하게 된다. 에어분사노즐(22)은 바람직하게는 스트로우노즐(21)에 대해 일정각도를 유지하며 에어를 분사하도록 설치된다. 최종적으로 수득되는 구형 실리카겔의 입자크기는 에어분사노즐의 직경과 분사압력을 조절함으로써 조절될 수 있다. 1㎛∼350㎛의 입자크기를 갖는 구형 실리카겔을 제조할 경우 분사압력은 통상 4㎏/㎠∼25㎏/㎠ 범위가 적당하다.

도 2에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에서는 고압분사수단으로, 상기 조립노즐(20)의 후단에 장착된 스프레이노즐(23)이 제공된다. 스프레이노즐(23)은 가압수단을 구비하여 조립노즐(20)에서 생성되어 나오는 비드를 다시 고압으로 분사하여 2㎛∼700㎛의 입자크기를 갖는 미세입자로 분산·분사시키는 역할을 하게 된다.

조립호파(30)는 상기 고압분사수단에 의해 미세한 입자로 분사된 졸 상태의 비드가 자유낙하 하면서 하이드로 겔을 형성하면 이를 수용하는 역할을 한다. 조립호파(30)에 수용된 하이드로 겔은 후처리를 위해 다음의 산처리 및 수세탱크(40)로 이송된다.

산처리 및 수세탱크(40)에는 황산을 주입하는 주입구(41)와 내부순환펌프(42), 처리수배출구(43)가 구비된다. 탱크(40)에는 황산 수용액에 하이드로 겔이 침강되지 않도록 에어버블을 하기 위한 에어주입수단이 부가적으로 포함된다. 산처리가 끝난 겔은 다시 선택적으로 알칼리 처리, 즉 탱크(40)에 알칼리를 주입하여 알칼리 용액에서 일정시간 처리될 수 있다.

산처리 및 수세가 끝난 겔은 열처리 탱크(50)로 보내져 스팀열처리된다. 열처리 탱크(50)에는 온도계(51), 압력계(52)가 구비되고, 주입구(53)를 통해 스팀이 공급된다.

열처리가 끝난 겔은 건조장치(60)로 보내져 건조된다. 건조장치에는 스프레이 드라이어가 설치되어 이송된 겔을 순간적으로 건조한다.

<용도>

본 발명에서 제조된 구형 실리카겔은 최종적으로 1㎛∼350㎛의 입자크기를 갖는 세공용적 1.2cc/g∼3.5cc/g, 세공경 80∼450Å, 비표면적 180∼810㎡/g의 초미립 다공성 구형 실리카겔로, 상기 범위내에서 입자크기와 세공용적, 세공경, 비표면적 등의 겔 특성을 조절하여 다양한 용도로 사용될 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 실리카겔 중 평균입도 10㎛∼90㎛, 세공용적 1.4cc/g∼3.5cc/g인 겔은 폴리 올레핀 중합용 촉매의 담체로 사용된다. 또한, 평균입도 150㎛∼205㎛, 세공용적 1.2cc/g∼1.4cc/g, 세공경 80∼140Å, 비표면적 220∼320㎡/g인 겔은 배기가스 및 금속 분진 흡착용으로 사용되는 하니캄 구조 촉매의 촉매 담지체 및 다공성을 부여하는 구성체로 사용되고; 평균입도 2㎛∼10㎛의 극히 미세한 겔은 유기물 도는 무기물 코팅을 하여 화장품용 특수 기능제로 사용된다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 다음의 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 물론이다.

실시예 1

액상 규산나트륨(농도 23%)과 황산(농도 12%)을 준비하여 각각의 원료탱크에 충전한 후 이들을 반응 당량비로 조립노즐에 공급하여 순간적으로 혼합 반응시켜 비드를 생성시킨 후 스트로우노즐에서 분사한다. 이때 스트로우 조립노즐의 분사압력은 약 4㎏/㎠로 하였다. 조립노즐내의 비드의 생성을 육안으로 확인함과 동시에 약 7㎏/㎡의 압력으로 에어분사노즐로부터 에어를 분사하여 스트로우노즐로부터 분사되어 나오는 비드를 미세하게 분산시킨다. 미세하게 분산된 비드는 자유낙하하면서 구형의 하이드로 겔을 형성하게 된다. 이때 생성되는 하이드로 겔은 pH 10 정도로 유지시킨다. 생성된 겔은 외부 충격에 매우 약한 상태이므로 강도 부여를 위해서 pH가 약 2 정도인 황산수용액이든 탱크로 이송시켜 pH가 1.0 정도에서 변화가 없을 때까지 황산을 투입하여 산성의 분위기를 약 16시간 동안 유지시킨다. 이때 겔의 침강을 방지하기 위해 에어주입구로 에어를 공급하여 에어버블을 해준다. 산처리가 끝나면 겔이 침강하지 않을 정도의 유속으로 겔 5% 상등액의 pH가 7.0 이상이고 비저항이 6000Ω㎝ 이상이 될 때까지 이온교환수로 세척을 한다. 세척이 끝난 겔을 스팀으로 열처리하여 약 80∼90℃로 약 18 시간 가열한다. 열처리가 끝나면 함수율 8% 정도가 되게 겔을 순간 건조하여 본 발명의 미립 구형 실리카겔을 얻는다.

본 발명에 따르면, 기존의 방법으로 제조가 어려웠던 1㎛∼350㎛의 입자크기를 갖고, 완전 구형이며, 세공용적이 큰 실리카겔의 제조가 가능하고, 상기 범위내에서 입자크기와 세공용적을 자유롭게 조절함으로써 다양한 용도를 갖는 실리카겔을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 요건을 갖춘 초미립 구형 실리카겔을 기존의 알칼리성 실리카겔법을 개선한 저가의 제조방법으로 제조한다.

Claims (12)

1. (a) 규산알칼리 수용액과 산 용액의 원료를 당량비로 조립노즐에 투입하는 단계와;

   (b) 조립노즐에 투입된 원료를 단시간에 혼합 반응시켜 졸 상태의 비드를 생성하고 노즐을 통해 내보내면서 다시 고압분사하여 2㎛∼700㎛까지 미세하게 분산·분사시키는 단계와;

   (c) 분사된 미립 비드가 자유낙하 하면서 구형의 하이드로 겔을 형성하는 단계와;

   (d) 형성된 하이드로 겔을 산처리하고 세척하여 숙성시키는 후처리 단계와;

   (e) 후처리된 겔을 건조하는 건조단계로 이루어진 입자도 1㎛∼350㎛, 세공용적 1.2∼3.5cc/g, 세공경 80∼450Å, 비표면적 180∼810㎡/g의 초미립 구형 실리카겔의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고압분사는, 상기 조립노즐 후단에 스트로우노즐을 장착하여 스트로우노즐로부터 분사되어 나오는 졸 상태의 비드를 외부에서 에어분사노즐로 고압의 에어를 분사하여 분산시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 에어분사노즐의 직경과 분사압력을 조절하여 수득되는 겔의 입자크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 고압분사는, 상기 조립노즐 후단에 가압장치가 구비된 스프레이노즐을 장착하여 조립노즐로부터 생성되어 나오는 비드를 그대로 고압으로 다시 미세하게 분산·분사시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 스프레이노즐의 직경과 분사압력을 조절하여 수득되는 겔의 입자크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 후처리 단계에는 산처리 및 세척이 끝난 겔을 세공용적을 키우기 위해 pH 11∼13으로 처리하는 알칼리처리 공정이 부가되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 후처리 단계에는 산처리 및 세척이 끝난 겔을 세공용적을 키우기 위해 70℃∼90℃로 스팀처리하는 열처리 공정이 부가되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 반응원료인 규산 알칼리 수용액과 산 용액을 각각 보관하는 원료탱크와; 원료탱크로부터 투입된 원료를 순간적으로 혼합 반응시켜 졸 상태의 비드를 생성하고 분사시키는, 순간혼합기가 구비된 조립노즐과; 상기 조립노즐을 통해 나오는 비드를 2㎛∼700㎛로 미세하게 분산·분사시키는 고압분사수단과; 미세하게 분산된 비드가 자유낙하 하면서 구형의 하이드로 겔을 형성하면 이를 수용하는 조립호퍼와; 상기 조립호퍼로부터 이송된 하이드로 겔을 숙성시키는 산처리 및 수세탱크를 포함하는 후처리장치와; 겔을 순간적으로 건조시키는 스프레이드라이어가 구비된 건조장치를 포함하는 초미립 구형 실리카겔의 제조장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 고압분산수단은 상기 조립노즐 후단에 장착된 스트로우노즐과;

   스트로우노즐로부터 나오는 졸 상태의 비드에 고압에어를 분사하여 비드를 미세하게 분산·분사시키는 에어분사노즐로 구성되는 것을 특징으로 하는 제조장치.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 고압분사수단은 상기 조립노즐 후단에 장착되어 생성된 비드를 고압으로 분사시키는 스프레이노즐로 구성되는 것을 특징으로 하는 제조장치.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 원료탱크에는 원료를 정확한 당량비로 내보내기 위한 수단으로 탱크에 일정한 압력을 가하는 가압장치가 포함되는 것을 특징으로 하는 제조장치.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 원료탱크에는 원료를 정확한 당량비로 내보내기 위한 수단으로 정량펌프가 포함되는 것을 특징으로 하는 제조장치.