KR20040095841A - 폐기물을 이용한 ｘ형 제올라이트 및 그 합성방법 - Google Patents

폐기물을 이용한 ｘ형 제올라이트 및 그 합성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐기물을 이용한 X형 제올라이트 및 그 합성 방법에 관한 것으로, 폐기물을 출발물질로 하여 X형 제올라이트를 제조함으로써 생산비용을 절감하고, 폐기물 의한 환경오염 방지를 목적으로 한다.
개시된 본 발명에 따른 폐기물을 이용한 X형 제올라이트는, 각각 폐기물로부터 생성되는 슬래그, 알루민산나트륨 1.3~1.5N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 및 이산화규소(SiO2) 성분 6.2~6.5wt%를 포함하는 용액이 혼합되어 제조된다. 본 발명에 따른 폐기물을 이용한 X형 제올라이트 합성 방법은, 폐기물 슬래그, 알루민산나트륨(NaAlO2) 및 이산화규소(SiO2) 성분이 6.2~6.5wt% 포함된 용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계와, 상기 혼합용액을 숙성시키는 단계와, 상기 숙성된 혼합용액을 수열합성반응에 의해 X형 제올라이트를 제조하는 단계를 포함하여 이루어진다. 상기 이산화규소(SiO2) 성분을 갖는 용액과 1.3~1.5N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액이 1 : 3.5~4.5의 비율로 혼합된다. 이러한 혼합용액에 알루민산 나트륨를 1.5M 첨가하며, 한편, 용융슬래그의 혼합비율은 전체 용액의 약 1/15(g/cc)이다.

Description

폐기물을 이용한 Ｘ형 제올라이트 및 그 합성방법{ZEOLITE X FROM WASTE AND SYNTHETIC METHOD IT}
본 발명은 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트 및 그 합성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슬래그(slag), 알루미늄드로스 등의 폐기물을 출발물질로 하여 Ｘ형제올라이트를 합성함으로써 폐기물의 처리비용을 절감할 수 있고, 환경오염을 예방할 수 있으며, 고순도의 단일상 제품을 얻을 수 있는 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트 및 그 합성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 석유정제 과정에서 촉매로 사용되는 Ｘ형제올라이트는 고순도의 물질이 요구되므로 고순도 화공약품을 이용하여 제조되고 있다. 따라서, Ｘ형제올라이트의 제조시 고순도의 화공약품을 구입하여야 하므로 재료구입비용이 상승하여 제조 원가가 비싸지므로, 환경용으로 사용하지 못하는 단점이 있다.
또한, 고순도 화공약품을 이용한 합성 방법이외에, 석탄회를 압력용기인 오토클래브(autoclave)를 이용하여 수산화나트륨(NaOH) 용액 속에서 반응시켜 고온고압상으로 존재하는 X-형으로 결정화시키는 방법, Si-Al 성분이 풍부한 고령토 등의 자연산 광물을 반응시켜 Ｘ형제올라이트로 결정화시키는 방법 등이 있다. 이때, 가열온도는 대략 150~200℃를 유지한다.
그러나, 상기와 같은 Na-X 형 제올라이트 합성 방법에 의하면, 석탄회 등을 강산 및 강알칼리로 처리하여 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)을 겔 상태로 분리하여야 하는 별도의 공정이 추가되는 문제점이 있다.
그리고, 고온고압을 유지하도록 압력용기를 사용하여야 함으로써 공정이 복잡하고, 생산효율이 낮아지게 되어 원가가 상승하게 되는 단점도 있으며, 제조시 제올라이트 생성물에 소달라이트(sodalite) 또는 뮬라이트(mullite) 등의 불순물이 혼재하여 제품의 순도가 현저히 저하되는 단점도 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 알루미늄 드로스와 소각재 용융체를 환경친화물질로 변화시켜 이를 출발물질로 함으로써 폐기물의 재활용에 따른 생산비용을 절감할 수 있도록 하는 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트 및 그 합성 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐기물을 이용한 X형 제올라이트 합성 방법의 공정도.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐기물을 이용한 X형 제올라이트는, 각각 폐기물로부터 생성되는 슬래그와 알루민산나트륨(NaAlO2) 그리고 이산화규소(SiO2)와 NaOH 성분이 포함된 용액과 혼합, 숙성되어 제조된 것을 특징으로 한다.
상기 이산화규소(SiO2) 성분이 6.2~6.5wt% 포함된 용액에 그 농도가 1.3~1.5M인 수산화나트륨(NaOH) 용액이 1 : 3.5~4.5로 혼합시킨 후 이 혼합용액에 알루민산나트륨(NaAlO2)이 1.3~1.5M 첨가되며, 상기 슬래그는 전체 용액의 1/15(g/㏄)의 비율로 투입되어 제조될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 폐기물을 이용한 X형 제올라이트 합성 방법은, (S10) 각각 폐기물로부터 생성된 슬래그, 알루민산나트륨(NaAlO2) 및 이산화규소(SiO2) 성분을 갖는 용액을 각각 준비하는 재료준비단계와;
(S20) 상기 (S10) 재료준비단계에서 준비된 재료들을 혼합하는 재료혼합단계와;
(S30) 상기 (S20) 재료혼합단계에서 혼합된 혼합물을 상온에서 10~15시간 숙성시키는 숙성단계와; 그리고,
(S40) 상기 (S30) 재료숙성단계에서 숙성된 혼합물을 반응시켜 단일상의 제올라이트를 제조하는 수열합성반응단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 X형 제올라이트 합성 방법.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트는, 각각 폐기물로부터 생성되는 슬래그(slag), 알루민산나트륨 (분말 혹은 용액) 및 수산화나트륨 용액과 이산화규소(SiO2)를 포함한 용액이 혼합되어 합성된다.
슬래그는, 쓰레기, 하수슬러지 등의 폐기물 혹은 이 폐기물을 환원환경 혹은 산화환경에서 적절히 용융하여 만드는 용융슬래그, 제철과정에서 생산되는 고로 슬래그 중 수재슬래그 등이 사용될 수 있다. 용융슬래그는 환원환경 및 산화환경 어느 조건에서 제조되어도 무방하나, 최종 제품의 품질면에서 환원환경에서 제조된 용융슬래그가 우수하여 제오라이트의 제조시 유리하므로 환원환경에서 처리된 용융슬래그를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 알루민산나트륨(NaAlO2)은 알루미늄 용해시 발생되는 알루미늄 드로스(dross)를 수산화나트륨(NaOH) 용액과 반응시켜 얻을 수 있다. 이때, 반응물의 몰비가 Na2O/Al2O3=1.0~1.2 및 H2O/Na2O=10이 되도록 하는 것이 바람직하다.
이산화규소(SiO2) 성분을 6.2~6.5wt% 포함된 용액은 1.3~1.7의 농도의 수산화나트륨 용액과 1 : 3.5~4.5, 바람직하게 1 : 4의 비율로 혼합되어 이루어진 것일수 있다. 수산화나트륨(NaOH) 용액의 농도는 1.5인 것이 바람직하다.
위의 혼합용액이 준비되면, 액상 또는 고상의 알루민산나트륨(NaAlO2) 1.3~1.7M, 바람직하게 1.5M을 첨가한 후, 이 혼합물에 전체 용액의 약 1/15(g/㏄) 이 되도록 용융슬래그가 투입되어 이루어질 수 있다. 이러한 혼합체의 화학조성은 최종적으로 Na2O : Al2O3: SiO2= 1.9~2.0 : 0.5~0.6 : 2이다.
본 발명에 따른 Ｘ형제올라이트는, 소각재를 용융한 것은 물론 주성분이 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)인 모든 폐기물 용융체를 사용할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트 합성 방법을 설명한다.
(S10) Ｘ형올라이트 제조를 위한 재료를 준비한다. Ｘ형올라이트의 출발물질로는 폐기물 또는 폐기물을 처리하여 얻어진 용융슬래그, 알루미늄 드로스로부터 생성된 알루민산나트륨(NaAlO2), 1.5N 농도의 수산화나트륨 용액 및 이산화규소 성분이 6.2~6.5%포함된 용액을 준비한다.
(S20) 상기 단계에서 준비된 재료를 혼합/교반한다. 용융슬래그, 알루민산나트륨(NaAlO2), 수산화나트륨 용액 및 이산화규소 용액을 혼합기에 투입하여 교반한다. 교반속도는 200~250rpm일 수 있다.
(S30) 상기 단계에서 혼합된 혼합용액을 숙성시킨다. 혼합용액을 반응용기 용량의 대략 70~90%, 바람직하게 80%를 채운 후, 이를 상온에서 10~12시간동안 숙성시킨다.
(S40) 상기 숙성단계를 통해 숙성된 혼합용액을 수열(水熱)합성반응시켜 Ｘ형제올라이트를 구한다. 숙성된 혼합용액을 90~120℃, 바람직하게 100℃에서 200~250rpm의 속도로 5~10시간동안 바람직하게 8시간동안 교반하면서 가열 후, 냉각하여 안정된 Ｘ형제올라이트를 제조한다.
이 과정을 통해 반응이 종료되면 슬러리(slurry) 상태의 Ｘ형제올라이트가 얻어진다.
슬러리 형태의 Ｘ형제올라이트는 다음의 공정을 통해 고체와 액체를 분리하여 분말 형태의 Ｘ형제올라이트가 제조될 수 있다.
슬러리 형태의 Ｘ형제올라이트를 원심분리기 혹은 프레스 필터 등을 사용하여 고체와 액체부분을 분리하고(S50), 분리된 고체 부분을 세척하며(S60), 이를 건조(S70)함으로써 분말형태의 Ｘ형제올라이트를 얻을 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 Ｘ형제올라이트는 결정학적으로 입방정계에 속하며, Na2Al2Si2.5O9· 6.2H2O의 화학조성을 갖는다. 또한, 엑스선 회절도 상에서 Na-X의 주요 회절선은 d=14.47, 8.85, 7.54, 5.73, 3.81, 3.34 등이다.
이하, 본 발명에 따른 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트 합성 방법을 좀 더 구체적으로 설명한다.
1. 규산나트륨(Na2SiO3) 용액과 1.5N 수산화나트륨(NaOH) 용액을 혼합하여 이산화규소(SiO2) 성분을 6.5wt% 포함하는 용액 550㏄를 만든다.
2. 상기 550㏄ 용액에 알루민산나트륨(NaAlO2) 70g과 용융슬래그 32g을 추가하여 혼합용액을 만든다.
3. 이 혼합용액을 반응용기에 그 용량의 80%를 채운 후, 이를 상온에서 12시간동안 숙성시킨다.
4. 숙성된 혼합용액을 약 100℃에서 교반하면서 7시간 가열 후 냉각하여 안정화된 Ｘ형제올라이트를 제조한다.
5. 슬러리 상태의 Ｘ형제올라이트를 원심분리기, 프레스 필터에 투입하여 고상과 액상을 분리한다.
6. 고상 Ｘ형제올라이트를 세척한 후, 건조하여 분말의 제올라이트를 제조한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 석탄회 등을 강산 및 강알칼리로 처리하여 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)을 겔 상태로 분리하는 공정이 불필요하다.
그리고, 압력용기를 이용하여 고압고압으로 반응시키지 않고 Ｘ형제올라이트를 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 슬래그와 알루민산나트륨(NaAlO2)을 주요 원료로 하여 Na-X 제올라이트를 제조하는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 나트륨(Na) 대신 칼슘, 칼륨 등의 알칼리 원소로 치환이 가능하므로 해당되는 각종 산업분야에서 실용화할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트 및 그 합성 방법에 의하면, 폐기물 슬래그와 폐기물인 알루미늄 드로스로부터 얻어지는 알루민산나트륨 용액을 주요 원료물질로 하여 Ｘ형제올라이트를 제조함으로써 생산원가를 절감할 수 있고, 생산효율을 증대할 수 있으며, 폐기물 처리면에서 볼 때 폐기물의 폐기처분을 위한 처리비용을 절감할 수 있고, 폐기물에 의한 환경오염을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 각각 폐기물로부터 생성되는 슬래그와 알루민산나트륨(NaAlO2) 그리고 이산화규소(SiO2)와 NaOH 성분이 포함된 용액과 혼합, 숙성되어 제조된 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이산화규소(SiO2) 성분이 6.2~6.5wt% 포함된 용액에 그 농도가 1.3~1.5M인 수산화나트륨(NaOH) 용액이 1 : 3.5~4.5로 혼합된 후 이 혼합용액에 알루민산나트륨(NaAlO2)이 1.3~1.5M 첨가되며, 상기 슬래그는 전체 용액의 1/15(g/㏄)의 비율로 투입되어 제조된 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트.
  3. (S10) 각각 폐기물로부터 생성된 슬래그, 알루민산나트륨(NaAlO2) 및 이산화규소(SiO2) 성분을 갖는 용액을 각각 준비하는 재료준비단계와;
    (S20) 상기 (S10) 재료준비단계에서 준비된 재료들을 혼합하는 재료혼합단계와;
    (S30) 상기 (S20) 재료혼합단계에서 혼합된 혼합물을 상온에서 10~15시간 숙성시키는 숙성단계와; 그리고,
    (S40) 상기 (S30) 재료숙성단계에서 숙성된 혼합물을 반응시켜 단일상의 제올라이트를 제조하는 수열합성반응단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 X형 제올라이트 합성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 (S40) 수열합성반응단계에서는, 상기 (S30) 숙성단계를 거친 혼합물을 90-120 ℃에서 5-7시간 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 Ｘ형제올라이트 합성 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200133467A (ko) * 2019-05-20 2020-11-30 주식회사 포스코 리튬 부산물을 이용한 제올라이트 제조 방법

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