KR20030026515A - 제올라이트를 이용한 기체 분리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제올라이트를 이용하여 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 장치에 관한 것이다. 유동하는 기체로부터 선택적으로 특정 기체를 분리하기 위한 장치는, 상기 유동하는 기체가 내부로 유동할 수 있는 유로가 형성되어 있고, 분리가스 이동로가 형성된 부재, 상기 이동로 상부에 기공성 세라믹 부재 그리고 상기 부재의 내부방향을 향해서 상기 기공성 세라믹 부재의 일단면에 형성되는 무기막을 구비한다. 따라서, 상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 기체의 분리 및 정제 공정이 끊김없이 연속적으로 진행될 수 있어, 공정상의 효율을 크게 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에서 제시된 제올라이트막 형성방법에 의하면, 핀 홀 또는 크랙의 발생을 방지할 수 있으며, 재현성있게 결정 방향성을 가지는 막을 합성하는 것이 가능하게 되므로 종래보다 휠씬 뛰어난 분리 및 정제 효율을 가질 수 있다.
Description
본 발명은 세라믹 무기막을 이용한 기체 분리 장치에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 제올라이트를 이용하여 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 장치에 관한 것이다.
화학 산업이 발전함에 따라 많은 양의 에너지가 요구되면서 전세계적으로 에너지 고갈 문제가 급부상하고 있다. 그에 따라 최근에는 효율적으로 에너지를 활용할 수 있는 경제적이고 선택적인 화학 공정이 필요하게 된다.
이러한 최근의 화학 공정은 에너지를 절약하면서도 동시에 부산물이 적은 보다 청결한 화학 공정으로 전환되고 있다. 이러한 추세에 맞추어서 특정한 기체에 대한 분리 공정에 유용하게 사용되는 무기막의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
종래 무기막 연구는 주로 3차원의 미세세공 구조를 갖는 결정성 제올라이트(zeolite)를 무기막 형태의 필림으로 제조해서 제올라이트의 분자체로서의 기능과 함께 소재로서 활용하고자 하는 형태로 진행되어 왔다.
제올라이트는 일반적으로 그 결정 내부에 존재하는 특이한 세공 구조 때문에 산업적으로 유용한 각종 물리화학적 특성을 갖는 천연 및 합성 광물질을 일컫는다.
제올라이트의 특이한 결정 구조는 산업적으로 유용한 각종 물리화학적 특성들을 유발시킨다. 일반적으로 제올라이트의 산업적으로 유용한 특성들, 즉 (1) 양이온 교환특성, (2) 흡착 및 분자체 특성, (3) 촉매 특성, (4) 탈수 및 재흡수 특성 그리고 (5) 기타 물성과 관련된 특성등은 그 성격과 정도에 있어서 광종에 따라서 다르게 나타난다. 동일한 광종에서도 입도나 화학 조성상의 변화에 따라 그 성질이 사뭇 다르게 나타날 수도 있다. 또한 제올라이트는 다른 산업 광물들과는 달리 매우 다양한 광종을 이루기 때문에, 이 산업 광물의 효율적인 응용에는 우선 정밀한 광물 감정과 엄밀한 화학적 특성의 분석이 필수적인 것으로 알려져 있다.
이 중에서도 특히나 흡착 및 분자체 특성은 화학적으로 널리 이용되고 있는특성이다. 일반적으로 제올라이트는 구조상의 공동 내에 많은 양의 물(25에서 30 wt%)을 함유하지만, 200에서 300℃로 가열하면 쉽게 탈수된다. 이 탈수된 제올라이트는 적합한 크기와 형태의 무기 및 유기 분자들을 선택적으로 흡착함으로써, 결과적으로 서로 섞여있는 다른 분자들을 각각 분리할 수 있는 뛰어난 분자체 기능(molecular sieving)의 특성을 갖게 된다. 이러한 제올라이트의 흡착 및 분자체 특성과 관련된 응용분야로는 (1) 각종 가스의 탈수 목적을 위한 건조제로의 응용, (2) 특정가스의 분리 및 제거에 응용, (3) 파라핀류의 탄화수소의 추출에 응용되기도 한다.
상술한 바와 같은 특성을 이용하여, 1960년대에 일본에서 천연종인 모오데나이트를 이용하여 소위 '압력-스윙'(pressure-swing) 공법으로 공기중의 질소를 제거하고 고순도의 산소를 생산하는 기술이 개발되었다. 또한 공기로부터 질소를 생산하는 것은 반대로 질소를 흡착한 제올라이트를 재처리함으로써 가능한다. 선택적으로 흡착된 기체를 재생시키는 기술은 열처리방식, 치환 반응 등의 방식이 있지만, 사용된 제올라이트를 효율적으로 회수하기에 유리한 압력차 재생 방식(PSA; pressure swing absorption)이 잘 알려져 있다.
그러나, 상술한 압력차 재생 방식은 일정한 칼럼이라는 공간 속에 제올라이트 펠렛(2~5 nm)을 충진시켜 놓은 구성을 취하고 있기 때문에, 일정 시간이 지난 후에는 반드시 전체의 공정을 중지시키고 제올라이트로부터 흡착된 가스를 분리해야 하는 분리 공정을 진행해야만 한다.
이렇게 연속적으로 공정이 진행되지 못하고, 항상 일정한 간격으로 흡착된가스를 분리해야만 하므로, 공정상의 효율이 떨어지게 되는 단점이 발생한다.
따라서 본 발명은 상기에 제시한 문제점을 해결하기 위해서, 선택하고자 하는 기체를 흡착하는 기체 분리 공정이 연속적으로 진행될 수 있는 기체 분리 장치를 제공한다.
도 1은 제올라이트의 형성방법을 설명하기 위한 도면;
도 2는 기능기를 이용하여 제올라이트를 기판에 부착하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면; 및
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 상세한 설명
100 ; 분리탑
200 ; 분리가스 이동로
300 ; 세라믹 부재
400 ; 제올라이트 막
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체 분리 장치는 다음과 같은 구성을 갖는다.
유동하는 기체로부터 선택적으로 특정 기체를 분리하기 위한 장치는, 상기 유동하는 기체가 내부로 유동할 수 있는 유로가 형성되어 있고, 분리가스 이동로 형성, 상기 이동로 상부에 기공성 세라믹 부재 그리고 상기 부재의 내부방향을 향해서 상기 기공성 세라믹 부재의 일단면에 형성되는 무기막을 구비한다.
따라서, 상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 기체의 분리 및 정제 공정이 끊김없이 연속적으로 진행될 수 있어, 공정상의 효율을 크게 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에서 제시된 제올라이트막 형성방법에 의하면, 핀 홀 또는 크랙의 발생을 방지할 수 있으며, 재현성있게 결정 방향성을 가지는 막을 합성하는 것이 가능하게 되므로 종래보다 휠씬 뛰어난 분리 및 정제 효율을 가질 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면 도 1 내지 도 3에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 제올라이트 막의 형성방법을 설명하기 위한 도면, 도 2는 기능기를이용하여 제올라이트를 기판에 부착하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면 그리고 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서는 제올라이트의 기체 분리 특성 중에서 특히나 이산화탄소를 선택적 분리할 수 있는 장치에 대해 설명한다.
이산화탄소는 지구온난화 현상의 주범이자 대기 오염의 한 요인이 되므로 이를 선택적으로 분리하는 것은 산업적으로도 매우 중요한 과제가 되고 있다.
통상의 이산화탄소 분리 공정은 막분리(membrane separation)를 이용한다.
막분리 공정은 추출(extraction), 증류(distillation), 흡착(absorption) 및 액화(liquefaction)와 같은 종래의 분리 공정에 비해 에너지 소모가 적고 단순하여 액상 공정에서뿐만 아니라 배기가스로부터 이산화탄소의 분리 등 혼합기체의 분리 공정에 이르기까지 다양하고 광범위하게 이용될 수 있다.
이런 막분리 공정은 상술한 바와 같이 제올라이트를 사용하여 기체의 선택적 분리 공정을 실시한다.
종래에 비해 열적, 화학적, 생물학적 안정성이 뛰어나고 기계적 강도와 재생성이 우수한 세라믹막(ceramic membrane)은 고온/고부식성 분위기에서도 이용 가능하므로 대부분 고온에서 방출되는 폐가스로부터 이산화탄소를 분리하는데 적합하다고 할 수 있다.
하지만, 제올라이트를 연구하는 사람들에게는 통상적으로 알려진 것처럼, 합성시 발생하는 핀홀 또는 크랙의 문제와 막의 합성시 발생하는 재현성이 항상 큰 문제가 된다.
그래서 본 발명에서는 이산화탄소를 선택적으로 흡착하여 분리하기 위한 제올라이트 막을 다음과 같은 방법으로 형성하도록 한다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 알려진 것처럼 제올라이트 막의 형성방법은 첫 번째로 미리 형성된 제올라이트 결정을 기판에 담지시키는 방법이 있다. 제올라이트 막을 성장시키는 방법으로 두 번째 그림과 같이 폴리머릭(polymeric) 무정형의 전구체가 기판 안으로 전달된 후, 과포화 상태를 제공하는 수열합성 조건에서 기판의 빈 공간 내에서 결정을 성장시켜 표면을 막는 방법으로서 때로는 기판 자체가 제올라이트 합성에 필요한 물질을 제공하는 역할을 하기도 한다. 또한 세 번째로 직접 기판 표면에 핵이 형성되어 성장하면서 막을 형성하는 방법도 제시되고 있다.
이렇게 형성되는 제올라이트에서 가장 결정적인 문제는 생성되는 결정의 방향이 일정하지 않다는 것인데, 이와 같은 문제는 다음에 설명하는 방법으로 해결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 기판 혹은 제올라이트의 결정 외부에 서로 상응하는 기능기를 부착시키는 방법을 사용하는 것이다. 기판과 제올라이트의 결정 외부 모두에 혹은 어느 한쪽에만 기능기를 부착하더라고 일정한 방향성을 가지면서 결정들이 배열될 수 있다. 도면에 도시된 것처럼, 유리판 위에 3-클로로프로필(chloropropyl), 3-브로모프로필(bromopropyl), 3-아이오도프로필(iodopropyl)등의 기능기를 부착시키고 여기에 아무것도 처리하지 않는 채 제올라이트를 섞어주고 톨루엔에서 환류시키면 제올라이트가 밀집된 단층막이 얻어진다. 이렇게 형성된 제올라이트 막을 반응액내에서 2차성장(secondarygrowfh)을 진행하여 최종 제올라이트 분리막을 형성시킨다.
이와 같은 방법을 사용할 경우에는 종래와 같은 핀홀 또는 크랙의 문제가 발생되지 않으면서도 홀없이 밀집되면서 동시에 일정하게 방향성을 가지는 막을 형성시킬 수 있게 된다. 또한, 재현성있게 막을 합성하는 것이 가능하게 되므로 종래보다 휠씬 뛰어난 분리 및 정제 효율을 가질 수 있다.
상술한 설명과 같이 성장한 제올라이트 필림을 형성한 세라믹 보드를 첨부도면 도 3과 같이 구성한다.
유동하는 기체로부터 선택적으로 특정 기체를 분리하기 위한 장치는 크게 유로가 형성된 일정 크기의 부재(예를 들어서 분리탑같은 형상)(100), 분리가스 이동로(200), 기공성의 세라믹 부재(300) 그리고 상기 세라믹 부재(300)의 표면에 형성되는 무기막 즉 제올라이트(400)로 형성된다.
즉 상기 분리탑(100)은 기체가 유동할 수 있도록 일정한 유로가 형성되어 있어야 하고, 이 유로를 통해서 특정한 가스들(여러 가지의 유해한 가스들이 포함된 기체)이 유동하게 된다. 이 경우에, 상기 분리탑(100)의 측면으로는 분리가스 이동로가 형성되어 있고, 이 이동로 상부위치에 기공성의 특성을 갖는 세라믹 부재(300)가 위치된다.
상술한 바와 같은 제올라이트 형성방법을 통해서 상기 세라믹 부재(300)의 일단면에 특정한 가스를 분리할 수 있는, 본 발명에서는 이산화탄소를 분리해 낼 수 있는 제올라이트 필림(400)이 형성되어 있다.
이와 같은 방식으로 구성된 분리탑(100)에서는 특정한 가스들이 유로를 통해서 유동하는 경우, 상기 분리탑(100)의 내면에 위치한 세라믹 부재(300)의 제올라이트(400)가 이산화탄소를 선택적으로 흡착하게 된다. 그러므로 상기 가스에는 이산화탄소가 함유되지 않은 채로 외부로 배출된다. 또한, 종래와 달리 세라믹 부재(300)가 기공성의 부재로 형성되어 있으므로 제올라이트(400)를 통해서 흡착된 이산화탄소는 바로 세라믹 부재(200)를 통과하여 분리탑(100)의 외부로 배출되게 된다. 이와 같은 방식을 사용하는 경우, 가스들중에서 이산화탄소를 흡착하여 제올라이트가 가스를 함유하는 것이 아니라 바로 외부로 배출하는 것이 가능하게 되므로, 또한 일정한 시간이 지난 후에 공정을 중지해야 하는 불편함이 없어지게 된다.
따라서, 상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 기체의 분리 및 정제 공정이 끊김없이 연속적으로 진행될 수 있어, 공정상의 효율을 크게 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에서 제시된 제올라이트막 형성방법에 의하면, 핀 홀 또는 크랙의 발생을 방지할 수 있으며, 재현성있게 결정방향성을 가지는 막을 합성하는 것이 가능하게 되므로 종래보다 휠씬 뛰어난 분리 및 정제 효율을 가질 수 있다.
Claims (3)
- 유동하는 기체로부터 선택적으로 특정 기체를 분리하기 위한 장치에 있어서,상기 유동하는 기체가 내부로 유동할 수 있는 유로가 형성되어 있고, 측면에 분리가스 이동로가 형성되어 있는 부재;상기 부재의 상기 홀에 위치되는 기공성 세라믹 부재; 및상기 부재의 내부방향을 향해서 상기 기공성 세라믹 부재의 일단면에 형성되는 무기막을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 무기막은 제올라이트인 것을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 제올라이트는 화학적 기능기에 의해 상기 기공성 세라믹 부재와 결합되는 것을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
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| KR (1) | KR20030026515A (ko) |
Cited By (1)
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2001
- 2001-09-26 KR KR1020010059531A patent/KR20030026515A/ko not_active Application Discontinuation
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