KR20110058335A - Naa zeolite membrane and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 NaA 제올라이트 분리막 및 그 제조 방법에 관한 것으로, NaA 제올라이트 분리막의 균일도를 증가시키고 결함을 억제하여 우수한 분리성능을 갖도록 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a NaA zeolite separation membrane and a method for manufacturing the same, and to a technique for increasing the uniformity of the NaA zeolite separation membrane and suppressing defects to have excellent separation performance.
NaA 제올라이트는 결정구조 내에 직경 4Å을 갖는 균일한 마이크로 기공이 삼차원적으로 주기적인 배열을 갖는 규산알루민산(Aluminosilicate) 광물로써, SiO2의 일부가 Al2O3으로 치환된 물질이고, 전기중성을 유지하기 위하여 치환된 Al2O3 몰수의 2배만큼 Na 이온 몰수를 포함하는 물질이다.NaA zeolite is an aluminosilicate mineral in which uniform micro pores having a diameter of 4 내에 in a crystal structure have a three-dimensional periodic arrangement, and a part of SiO 2 is substituted with Al 2 O 3 , and is electrically neutral. It is a substance containing the number of moles of Na ions by twice the number of moles of Al 2 O 3 substituted for retention.
이와 같은 NaA 제올라이트는 산업적으로 촉매, 흡착제, 이온교환제 등으로 널리 사용되고 있다.Such NaA zeolites are widely used as catalysts, adsorbents, ion exchangers and the like in the industry.
최근 판형 또는 관형 다공성 세라믹 또는 금속 지지체 표면에 NaA 제올라이 트 층을 코팅하여 NaA 제올라이트 분리막을 제조하고 있다.Recently, NaA zeolite separators have been prepared by coating a NaA zeolite layer on a plate or tubular porous ceramic or metal support.
이와 같은 NaA 제올라이트 분리막은 에너지, 환경, 화학, 생명의학 분야 등에서 유효물질 분리 공정에 사용되거나, 촉매와 혼성화하여 유효물질 합성을 증진시키는 막반응 공정으로 이용하려하고 있으며, 그 활용 빈도 및 활용 범위가 증가되고 있어 많은 주목을 받고 있다.Such NaA zeolite membranes are used for separation of effective materials in energy, environment, chemistry, and biomedical fields, or they are intended to be used as membrane reaction processes that hybridize with catalysts to promote the synthesis of active materials. It is increasing and attracts much attention.
특히, NaA 제올라이트 분리막은 균일한 마이크기공과 높은 극성을 가지므로 현재 물/비극성 용매의 분리, 극성/비극성 용매의 분리 등 용매의 분리에 탁월한 성능을 가진 것으로 보고되고 있으나, 기체 분리, 기체 투과를 이용한 막반응 등에는 활용되지 못하고 있으며 이는 NaA 제올라이트 분리층에 존재하는 비제올라이트 기공(non-zeolitic pore)과 밀접한 관련이 있는 것으로 최근 밝혀지고 있다.In particular, since NaA zeolite membranes have uniform micropores and high polarity, they are currently reported to have excellent performance in the separation of solvents such as water / nonpolar solvent separation and polar / nonpolar solvent separation. It has not been utilized in membrane reactions, etc., which has been found to be closely related to non-zeolitic pore present in NaA zeolite separation layer.
따라서, NaA 제올라이트 분리층이 균일하고 비제올라이트 기공을 갖지 않는 즉, 결함이 없는 NaA 제올라이트 분리막의 안정적 제조는 NaA 제올라이트 분리막 분야에 있어서 중요한 기술의 하나로 인식되고 있다.Therefore, stable production of NaA zeolite membranes, that is, NaA zeolite membranes having uniform and non-zeolite pores, that is free of defects, has been recognized as one of the important technologies in the field of NaA zeolite membranes.
지금까지 알려진 NaA 제올라이트 분리막은 직경 1 ~ 10㎛ 크기를 갖는 NaA 제올라이트 종결정을 지지체 표면에 부착한 후에 알루미나계 원료, 실리카계 원료, 수산화나트륨을 물에 녹이고 혼합하여 만들어진 수열용액에 담지시켜 수열처리함으로써 제조된다.The NaA zeolite separation membranes known to date are hydrothermally treated by attaching NaA zeolite seed crystals having a diameter of 1 to 10 μm to the surface of the support, and then supporting them in a hydrothermal solution made by dissolving alumina-based material, silica-based material, and sodium hydroxide in water. It is manufactured by.
도 1은 종래 기술에 따른 NaA 제올라이트 분리막 제조 방법을 도시한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method of preparing a NaA zeolite separator according to the prior art.
도 1을 참조하면, 먼저 물유리(Water Glass, 10), 알루민산나트륨(Sodium Aluminate, 20), 수산화나트륨(Sodium Hydroxide, 30)을 물(40)에 녹여서 수용액 상태로 제조한 후, 혼합 공정(S10)을 수행하여 수열용액(Hydrothermal Solution, 50)을 형성한다.Referring to FIG. 1, first, water glass (10), sodium aluminate (Sodium Aluminate, 20), and sodium hydroxide (Sodium Hydroxide, 30) are prepared in an aqueous solution by dissolving in water (40), followed by a mixing process ( S10) to form a hydrothermal solution (Hydrothermal Solution, 50).
다음에는, 다공성 지지체(60) 표면에 직경 1 ~ 10㎛ 크기를 갖는 NaA 제올라이트 종결정(Seed, 70)을 부착(S20)한다. 종결정 부착 공정(S20)은 딥 코트법(지지체를 종결정 슬러리에 침지시키는 방법), 스프레이 코트법(종결정 슬러리를 다공질 지지체에 스프레이 분무하는 방법), 여과법(종결정 슬러리를 다공질 지지체에 통과시키는 방법), 문지름법(종결정 분체를 직접 다공성 지지체에 문질러 붙이는 방법) 등이 사용된다. Next, a NaA zeolite seed crystal (Seed) 70 having a diameter of 1 to 10 μm is attached to the surface of the porous support 60 (S20). Seed deposition step (S20) is a dip coating method (method of immersing the support in the seed crystal slurry), spray coating method (spray spraying the seed crystal slurry on the porous support), filtration method (passing the seed crystal slurry through the porous support) Method), a rubbing method (a method of rubbing seed crystal powder directly onto a porous support) and the like.
다음에는, 수열용액(50)이 담지된 수열합성기 내에 종결정이 부착된 다공성 지지체(80)를 넣고, 수열처리(S30)를 통하여 지지체 표면에 NaA 제올라이트 층이 형성되게 함으로써, NaA형 제올라이트 분리막(90)을 합성한다. Next, a
이때, 1 ~ 10㎛ 크기를 갖는 NaA 제올라이트 종결정은 그 입자크기가 커서 잘 분산된 슬러리 상태로 만들기 어려우므로 고도의 분산 제어가 필요하며, 일부 나노크기를 갖는 NaA 제올라이트 분체를 합성하여 종결정으로 사용하는 경우가 보고되고 있으나, 나노크기의 NaA 제올라이트 종결정을 합성하기 위해서는 고가의 원료물질과 장시간의 고도로 제어된 합성 공정이 요구된다는 문제가 있다.At this time, the NaA zeolite seed crystal having a size of 1 ~ 10㎛ has a high particle size, so it is difficult to make a well dispersed slurry state, and thus requires high dispersion control, and synthesizes NaA zeolite powder having some nano-size as seed crystals. Although the use case has been reported, there is a problem that expensive raw materials and a long time highly controlled synthesis process are required to synthesize nano-sized NaA zeolite seed crystals.
본 발명은 NaA 제올라이트 분리막 제조에 있어서, 직경 1 ~ 10㎛ 크기의 NaA 제올라이트 분체를 종결정으로 사용하는 방식을 사용하되, 나노크기의 NaA 제올라이트 종결정을 습식진동분쇄 및 원심분리하여 손쉽게 제조한 후에 사용하는 방식을 제공함으로써, NaA 제올라이트 층의 균일도가 현저히 향상되고 결함이 억제되어 분리성능이 우수한 NaA 제올라이트 분리막 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In the present invention, NaA zeolite separation membrane, NaA zeolite powder having a diameter of 1 ~ 10㎛ size is used as a seed crystal, but the nano-size NaA zeolite seed crystal is easily prepared by wet vibration milling and centrifugation It is an object of the present invention to provide a NaA zeolite separation membrane having excellent separation performance and a method for producing the same, by which the uniformity of the NaA zeolite layer is remarkably improved and defects are suppressed.
본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막 제조 방법은 알루미나계 원료, 실리카계 원료, 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)을 물에 녹여 수용액을 마련하는 단계와, 상기 수용액을 혼합하여 수열용액(Hydrothermal Solution)을 마련하는 단계와, NaA 제올라이트 분체를 습식진동분쇄하고, 원심분리하여 종결정(Seed) 슬러리를 마련하는 단계와, 상기 종결정 슬러리를 진공여과법으로 지지체에 통과시켜 종결정을 지지체 표면에 부착시키는 단계 및 상기 수열용액을 수열반응기에 넣고 상기 종결정이 부착된 지지체를 담지하고, 수열처리하여 상기 지지체 표면에 NaA 제올라이트 층을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.NaA zeolite membrane production method according to the present invention comprises the steps of dissolving alumina-based raw material, silica-based raw material, sodium hydroxide (Sodium Hydroxide) in water to provide an aqueous solution, and mixing the aqueous solution to prepare a hydrothermal solution (Hydrothermal Solution) And wet-pulverizing the NaA zeolite powder and centrifuging to prepare a seed slurry, and passing the seed crystal slurry through the support by vacuum filtration to attach the seed crystal to the surface of the support and the hydrothermal process. And putting the solution in a hydrothermal reactor to support the support on which the seed crystals are attached, and hydrothermal treatment to grow a NaA zeolite layer on the surface of the support.
여기서, 상기 알루미나계 원료는 알루민산나트륨(Sodium Aluminate), 수산화알루미늄(Aluminium Hydroxide), 콜로이달 알루미나, 알루미나(Alumina) 분말, 알 루미늄알콕사이드 중 하나 이상의 상태인 것을 특징으로 하고, 상기 실리카계 원료는 물유리(Water Glass), 규산나트륨(Sodium Silicate), 실리카(Silica) 분말, 콜로이달 실리카, 실리콘알콕사이드 중 하나 이상의 상태인 것을 특징으로 하고, 실리카계 원료의 첨가량은 실리카(SiO2)로 환산한 몰량이 상기 알루미나계 원료를 알루미나(Al2O3)로 환산 몰량의 1 ~ 3배인 것을 특징으로 한다. Here, the alumina-based raw material is characterized in that at least one state of sodium aluminate (Sodium Aluminate), aluminum hydroxide (Aluminium Hydroxide), colloidal alumina, alumina (Alumina) powder, aluminum alkoxide, the silica-based raw material Water glass (Sodium Silicate), silica (Silica) powder, colloidal silica, silicon alkoxide, characterized in that one or more of the state, the addition amount of the silica-based raw material molar converted to silica (SiO 2 ) The amount is characterized in that the alumina-based raw material is 1 to 3 times the molar amount converted into alumina (Al 2 O 3 ).
다음으로, 상기 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)의 첨가량은 상기 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)을 산화나트륨(Na2O)로 환산한 몰량과 상기 알루미나계 원료와 실리카계 원료 내에 포함된 산화나트륨(Na2O)의 몰량의 합이 상기 알루미나계 원료를 알루미나(Al2O3)로 환산 몰량의 2 ~ 6배인 것을 특징으로 하고, 상기 수용액 내의 물(H2O) 몰량은 상기 알루미나계 원료를 알루미나(Al2O3)로 환산한 몰량의 400 ~ 800배인 것을 특징으로 한다.Next, the addition amount of sodium hydroxide (Sodium Hydroxide) is the molar amount converted from the sodium hydroxide (Sodium Hydroxide) to sodium oxide (Na 2 O) and sodium oxide (Na 2 O contained in the alumina-based raw material and silica-based raw material The sum of the molar amounts of c ) is 2 to 6 times the molar amount of the alumina raw material to alumina (Al 2 O 3 ), and the molar amount of water (H 2 O) in the aqueous solution is the alumina (Al It is characterized in that 400 to 800 times the molar amount converted to 2 O 3 ).
그 다음으로, 상기 수용액을 혼합하여 수열용액을 제조하는 단계는 상기 수용액을 20 ~ 80℃의 온도에서 30분 ~ 48시간 동안 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 NaA 제올라이트 분체는 직경 1 ~ 10㎛의 NaA 제올라이트 분체를 사용하는 것을 특징으로 한다.Next, the step of preparing the hydrothermal solution by mixing the aqueous solution is characterized in that for producing for 30 minutes to 48 hours by mixing the aqueous solution at a temperature of 20 ~ 80 ℃. At this time, the NaA zeolite powder is characterized in that using NaA zeolite powder having a diameter of 1 ~ 10㎛.
그 다음으로, 상기 습식진동분쇄는 세라믹 볼을 이용하여 200 ~ 900cycles/min 속도로 1 ~ 48시간 수행된 것을 특징으로 하고, 상기 원심분리는 1,000 ~ 15,000rpm 속도로 1 ~ 60분간 수행된 것을 특징으로 하고, 상기 종결정은 직경 100 ~ 300nm인 것을 특징으로 하고, 상기 종결정 슬러리는 상기 종결정이 물에 0.0005 ~ 0.005중량% 첨가된 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.Next, the wet vibration pulverization is characterized in that it is performed for 1 to 48 hours at 200 ~ 900cycles / min speed using a ceramic ball, the centrifugation is performed for 1 to 60 minutes at 1,000 ~ 15,000rpm speed The seed crystals are characterized in that the diameter of 100 ~ 300nm, the seed crystal slurry is characterized in that the seed crystals are used that is added 0.0005 ~ 0.005% by weight to water.
그 다음으로, 상기 진공여과법은 1 ~ 300torr의 압력에서 1 ~ 60분간 수행하는 것을 특징으로 한다.Next, the vacuum filtration method is characterized in that carried out for 1 to 60 minutes at a pressure of 1 ~ 300torr.
그 다음으로, 상기 지지체는 기공경 0.1 ~ 1㎛인 다공성 세라믹 또는 다공성 금속인 것을 특징으로 하고, 상기 수열처리는 70 ~ 140℃의 온도에서 12 ~ 48시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하고, 상기 NaA 제올라이트 층은 1 ~ 20㎛ 두께를 갖으며 균일하고 치밀하게 형성되는 것을 특징으로 한다.Next, the support is characterized in that the porous ceramic or porous metal having a pore diameter of 0.1 ~ 1㎛, the hydrothermal treatment is carried out for 12 to 48 hours at a temperature of 70 ~ 140 ℃, the NaA The zeolite layer has a thickness of 1 to 20㎛ and is characterized in that it is formed uniformly and densely.
아울러, 본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막은 상술한 방법으로 제조된 것을 특징으로 한다.In addition, the NaA zeolite separator according to the present invention is characterized in that it is prepared by the method described above.
본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막 제조 방법은 나노크기 종결정을 사용하므로 NaA 제올라이트 층이 균일할 뿐만 아니라 결함도 감소되어 분리성능이 증진되는 효과를 제공한다.Since the NaA zeolite membrane production method according to the present invention uses nano-sized seed crystals, not only the NaA zeolite layer is uniform but also defects are reduced, thereby providing an effect of improving separation performance.
아울러, 본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막 제조 방법에 따르면 나노크기 종결정을 습식진동분쇄 및 원심분리하는 방법으로 수득하므로 기존 나노크기 종결정을 합성하여 제조하는 방법에 비하여 제조 단가 저감, 제조 시간 단축 및 제조 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.In addition, according to the method for preparing NaA zeolite membrane according to the present invention, the nano-sized seed crystals are obtained by the method of wet vibration milling and centrifugation. It provides an effect that can improve manufacturing reliability.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 돌일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, only the present embodiments to make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims. Throughout the specification, reference numerals refer to like elements.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the NaA zeolite membrane and the method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막 제조 방법을 도시한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a method of preparing a NaA zeolite separator according to the present invention.
도 2를 참조하면, 먼저 NaA 제올라이트 분리막 제조를 위한 원료로서, 실리카계 원료 중 하나인 물유리(110), 알루미나계 원료 중 하나인 알루민산나트륨(120), 수산화나트륨(130)을 물(140)에 녹여서 수용액을 마련한 후 혼합 및 숙성 공정(S100)을 수행하여 수열용액(Hydrothermal Solution, 150)을 형성한다.Referring to FIG. 2, first, as a raw material for manufacturing a NaA zeolite separator, water glass 110, which is one of silica-based raw materials,
다음에는, 다공성 지지체(160) 표면에 직경 100-300nm 크기를 갖는 NaA 제올라이트 종결정(Seed, 170)을 부착(S120)한다. 이때에 나노크기를 갖는 NaA 종결정 은 수득이 용이한 1 ~ 10㎛ NaA 제올라이트 분체(190)를 진동분쇄(S130) 및 원심분리(S140)하여 제조된 것을 이용한다. Next, a NaA zeolite seed crystal (Seed, 170) having a diameter of 100-300 nm is attached to the surface of the porous support 160 (S120). At this time, the NaA seed crystal having a nano size is prepared by vibration grinding (S130) and centrifugation (S140) of 1 ~ 10㎛
다음에는, 수열용액(150)이 담지된 수열합성기 내에 종결정이 부착된 다공성 지지체(180)를 넣고, 수열처리(S150)를 통하여 지지체 표면에 NaA 제올라이트 층이 형성되게 함으로써 NaA 제올라이트 분리막(200)을 합성한다. Next, the
여기서, 수열용액(150)을 형성하기 위한 원료로서 알루미나계 원료는 알루민산나트륨(Sodium Aluminate), 수산화알루미늄(Aluminium Hydroxide), 콜로이달 알루미나, 알루미나(Alumina) 분말, 알루미늄알콕사이드 중 하나 이상 형태로 사용할 수 있다.Here, the alumina-based raw material as the raw material for forming the
그리고, 실리카계 원료는 물유리(Water Glass), 규산나트륨(Sodium Silicate), 실리카(Silica) 분말, 콜로이달 실리카, 실리콘알콕사이드 중 하나 이상 형태로 사용할 수 있다.The silica-based raw material may be used in the form of at least one of water glass, sodium silicate, silica powder, colloidal silica, and silicon alkoxide.
이때, 실리카계 원료의 산화규소(SiO2)와 알루미나계 원료의 산화알루미늄(Al2O3)의 SiO2/Al2O3 몰비는 목적하는 NaA 제올라이트의 조성에 따라 적절히 결정되나, 바람직하게는 1 ~ 3이며, 보다 바람직하게는 2가 되도록 하는 것이 좋다. 즉, 실리카계 원료의 첨가량은 실리카(SiO2)로 환산한 몰량이 알루미나계 원료를 알루미나(Al2O3)로 환산 몰량의 1 ~ 3배가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 몰비가 1 미만인 경우 Na 제올라이트 분리층 형성이 어려워져 분리막 성능이 저하될 수 있으며, 3을 초과하는 경우에도 Na 제올라이트 분리층 형성이 어려워지며, 분리층에 균열을 포함하므로 분리막의 성능을 저하시킬 수 있다. At this time, the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of silicon oxide (SiO 2 ) of the silica-based material and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) of the alumina-based material is appropriately determined according to the composition of the desired NaA zeolite, but preferably It is 1-3, More preferably, it is set to two. That is, the addition amount of the silica-based raw material is preferably such that the molar amount converted into silica (SiO 2 ) is 1 to 3 times the molar amount converted into alumina (Al 2 O 3 ). When the molar ratio is less than 1, the formation of Na zeolite separation layer becomes difficult, and thus the separation membrane performance may be reduced. Can be.
다음으로, 수열용액 중의 산화나트륨(Na2O)은 첨가한 수산화나트륨(NaOH)과 실리카계 원료와 알루미나계 원료 내에 포함된 산화나트륨(Na2O)에 의해 결정되며, 수열용액 중의 산화나트륨(Na2O)과 산화알루미늄(Al2O3)의 Na2O/Al2O3 몰비는 목적하는 제올라이트의 조성에 따라 적절히 결정되나, 바람직하게는 2 ~ 6이며, 보다 바람직하게는 4.5가 되도록 하는 것이 좋다. 즉, 상기 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)의 첨가량은 산화나트륨(Na2O)으로 환산한 몰량과 상기 알루미나계 원료와 실리카계 원료 내에 포함된 산화나트륨(Na2O)의 몰량의 총 합이 상기 알루미나계 원료를 알루미나(Al2O3)로 환산한 몰량의 2 ~ 6배인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 몰량이 2배 미만으로 첨가되는 경우에는 NaA 제올라이트 분리층 형성이 어려워져 분리막 성능이 저하 될 수 있으며, 6배를 초과하는 경우에는 분리층의 두께가 두꺼워지고 불균질하여 분리성능을 저하시킬 수 있다.Next, the sodium oxide in the hydrothermal solution (Na 2 O) are determined by means of a sodium (Na 2 O) oxide contained in the sodium (NaOH) and silica-based material and the alumina-based raw material hydroxide was added, and sodium oxide in the hydrothermal solution ( The molar ratio of Na 2 O / Al 2 O 3 of Na 2 O) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is appropriately determined according to the composition of the desired zeolite, but is preferably 2 to 6, more preferably 4.5 Good to do. That is, the amount of the sodium (Sodium Hydroxide) hydroxide is a molar amount in terms of sodium (Na 2 O) oxide and the alumina based material and a silica-containing said alumina sum of the molar amount of the sodium (Na 2 O) oxide contained in the raw material system is preferably a raw material of alumina (Al 2 O 3) times 2 to 6 in terms of the molar amount. In this case, when the molar amount is added less than 2 times, NaA zeolite separation layer is difficult to form, and the membrane performance may be degraded. When the molar amount is more than 6 times, the separation layer becomes thick and heterogeneous, resulting in poor separation performance. You can.
한편, 수열용액(150) 중의 물(H2O)은 첨가한 물(140)과 실리카계 원료, 알루미나계 원료, 수산화나트륨(130) 수용액 내에 포함된 물(H2O)에 의해 결정되며, 수열용액(150) 중의 물(H2O)과 산화알루미늄(Al2O3)의 H2O/Al2O3 몰비는 목적하는 NaA 제올라이트의 조성에 따라 적절히 결정되나, 바람직하게는 400 ~ 800이며, 보다 바 람직하게는 600이 되도록 하는 것이 좋다.Meanwhile, the water (H 2 O) in the
다음으로, 수용액을 혼합하여 수열용액(150)을 제조하는 단계(S100)에서, 수용액을 20 ~ 80℃의 온도에서 30분 ~ 48시간 동안 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다. 수용액의 온도가 20℃ 미만 및 30분 미만으로 유지되는 경우 제올라이트 분리막의 분리성능이 저하될 수 있고, 80℃를 초과하는 온도에서 48시간 초과하는 경우 역시 균일한 제올라이트 분리막을 얻을 수 없는 문제가 있다.Next, in the step of preparing a
그 다음으로, 지지체(180)는 100 ~ 300nm의 제올라이트 종결정(170)이 지지체(160) 표면에 부착된 것을 사용한다. 여기서, 지지체에 제올라이트 종결정을 부착시키는 것은, 제올라이트 결정을 주로 지지체 상에서 성장시키는 방식으로 코팅하기 위한 것이다. 따라서, 100nm 미만의 종결정은 부착 효과를 얻기에 미흡하며, 300nm를 초과하는 경우에는 제올라이트 분리막의 균일성과 치밀성이 저하될 수 있다.Next, the
그 다음으로, 종결정(170)을 부착(S120)하고자 하는 지지체(160)는 다공성 세라믹스 또는 다공성 금속 중 선택된 어느 하나가 될 수 있다. 세라믹스로는 멀라이트, 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 실리콘카바이드 등과 같은 재료가 있으며, 금속으로는 스테인레스 스틸, 소결된 니켈, 소결된 니켈과 철의 혼합물이 사용될 수 있다. 지지체의 재료로는 액체 중에서 용출하기 어려운 점에서 세라믹스가 바라직하고, 그 중에서도 알루미나가 특히 바람직하다.Next, the
여기서, 종결정(170)을 부착(S120)하고자 하는 지지체(160)의 평균 세공 직경이 0.1 ~ 1㎛인 것이 바람직하다. 만약 평균 세공 직경이 0.1㎛ 미만이면, 종결 정이 다공질 지지체의 세공 내에 부착하기 어렵게 되어, 지지체에 형성되는 제올라이트 분리층이 박리되는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 평균 세공 직경이 1㎛를 초과하면, 지지체에 형성되는 제올라이트 분리층에 핀 홀과 같은 결함이 발생될 수 있다.Here, it is preferable that the average pore diameter of the
또한, 종결정(170)을 부착(S120)하고자 하는 지지체(160)의 기공률은 바람직하게는 20 ~ 50%이며, 보다 바람직하게는 30 ~ 40%가 바람직하다. 기공률이 20% 미만이면, 투과속도가 작아지게 되어 투과 유속이 낮아지는 경향이 있다. 한편, 반대로 기공률이 50%를 초과하면 지지체의 자기 지지성(기계적 강도)이 낮아지는 경향이 있다. 따라서, 기공률이 30 ~ 40%이면, 투과유속과 기계적 강도가 충분히 높은 제올라이트 분리막을 얻는 것이 가능해진다.In addition, the porosity of the
상술한, 종결정(170)을 부착(S120)하고자 하는 지지체(160)의 형상으로는 관 모양, 통 모양, 중공사(中空絲) 모양, 판 모양, 멀티관 모놀리스 모양, 허니콤 모양(벌집 모양), 펠릿 모양을 들 수 있다. 형상은 NaA 제올라이트 분리막의 용도와 처리용량에 따라 적절히 결정할 수 있다.The shape of the
다음으로, 제올라이트 종결정(170)은 1 ~ 10㎛ NaA 제올라이트 분체(190)를 습식진동분쇄(S130) 및 원심분리(S140)하여 제조된 직경 100 ~ 300nm를 갖는 것이 바람직하다. 만약 평균 종결정 직경이 100nm 미만이면, 종결정이 다공성 지지체 표면 및 내부에 부착되는 양이 적어 균일하고 목적한 두께의 NaA 제올라이트 분리층을 확보하기 어려우며, 만약 평균 종결정 직경이 300nm를 초과하면, 지지체 표면에 종결정이 과도하게 부착되어 지지체에 형성되는 NaA 제올라이트 층이 박리되거나 불균일하게되는 문제가 발생할 수 있다.Next, the
여기서, 종결정(170)을 제조하기 위한 습식진동분쇄(S130)는 1 ~ 10㎛ 직경의 NaA 제올라이트 분체(190)를 세라믹 볼, 물과 함계 진동분쇄용기에 넣어 200 ~ 900cycles/min 속도로 1 ~ 48시간 수행하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 500cycles/min 속도로 24시간 수행하는 것이 좋다. 이때에 NaA 제올라이트 분체 : 세라믹 볼 : 물의 중량비는 1, 90, 20인 것이 좋으며 본 발명에서는 배치 크기를 물 20ml로 고정하여 수행하였다. 또한 세라믹 볼로는 탄화규소, 질화규소, 알루미나, 지르코니아 등이 사용될 수 있으나, 제올라이트 성분 중의 하나인 알루미나 볼을 이용하는게 좋고, 알루미나 볼의 직경은 1mm 내외인 것이 좋다. Here, the wet vibration mill (S130) for producing the
또한, 종결정(170)을 제조하기 위한 원심분리(S140)는 1000 ~ 15000rpm 속도로 1 ~ 60분간 수행하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게 6000rpm에서 10분간 수행하는 것이 좋다. 원심분리의 목적은 상기 습식진동분쇄(S130)에 의해 얻어진 고농도 슬러리 내의 상대적으로 큰 입자를 분별 제거하기 위해서이다. 원심분리 후 얻어진 종결정 슬러리는 잘 분산된 상태이며, 이후 사용의 목적으로 총 부피를 200㎖가 되도록 물로 희석하여 보관한다. 이때에 종결정 보관 슬러리 중의 종결정의 중량%는 0.1중량%이다.In addition, the centrifugation (S140) for producing the
다음으로, 지지체에 종결정 부착공정(S120)은 딥 코트법(지지체를 종결정 슬러리에 침지시키는 방법), 스프레이 코트법(종결정 슬러리를 다공질 지지체에 스프레이 분무하는 방법), 여과법(종결정 슬러리를 다공질 지지체에 통과시키는 방법) 등이 바람직하나, 보다 바람직하게는 진공여과법(종결정 슬러리를 다공질 지지체에 진공을 걸어서 통과시키는 방법)을 사용하는 것이 좋다. Next, the seed crystal attachment step (S120) to the support is performed by the dip coating method (the method of dipping the support body in the seed crystal slurry), the spray coating method (the method of spray spraying the seed crystal slurry on the porous support), and the filtration method (the seed crystal slurry). Is preferably passed through a porous support). More preferably, vacuum filtration (a method of passing the seed crystal slurry through a vacuum through the porous support) is preferably used.
여기서 진공여과 공정중의 종결정 슬러리는 상기 종결정 보관 슬러리를 다시 물에 희석하여 제조되었으며, 종결정 슬러리 중량%는 물에 투입하는 상기 종결정 보관 슬러리 양을 변화시켜 조절 가능하며, 바람직하게는 0.0005 ~ 0.005중량%이며, 보다 바람직하게는 0.0026중량%인 것이 좋다. Here, the seed crystal slurry in the vacuum filtration process was prepared by diluting the seed crystal storage slurry in water again, and the weight of the seed crystal slurry may be adjusted by changing the amount of the seed crystal storage slurry added to water. It is 0.0005 to 0.005 weight%, More preferably, it is 0.0026 weight%.
또한, 진공여과에 의한 종결정 부착공정(S120) 중의 진공부의 압력은 1 ~ 300torr에서 1 ~ 60분간 수행한 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 150torr에서 20분간 수행한 것이 좋다.In addition, the pressure of the vacuum portion in the seed crystal attachment process (S120) by vacuum filtration is preferably performed for 1 to 60 minutes at 1 to 300 torr, more preferably 20 minutes at 150 torr.
또한 제올라이트 종결정을 지지체 부착(S120)시킨 후, 지지체 및 이에 부착한 종결정을 건조시키는 것이 바람직하다. 지지체 및 이것에 부착한 종결정을 건조시킴으로써, 종결정의 부착상태를 더욱 강고히 할 수 있다. 건조는 70 ~ 120℃ 온도에서 실시하는 것이 바람직하다.In addition, after the zeolite seed crystal is attached to the support (S120), it is preferable to dry the support and the seed crystal attached thereto. By drying the support and the seed crystals attached thereto, the adhesion state of the seed crystals can be further strengthened. It is preferable to perform drying at 70-120 degreeC temperature.
다음으로, 상기 수열처리(S150)는 70 ~ 140℃의 온도에서 12 ~ 48시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 수열용액(150)의 온도를 70℃ 미만이 되고, 유지시간이 12시간 미만이면 충분한 NaA 제올라이트 분리막(200)이 형성되지 않아 분리능이 저하될 수 있다. 또한, 수열용액(150)의 온도가 140℃를 초과하고, 유지시간이 48시간을 초과하게 되면, NaA 제올라이트 분리막(200) 표면에 목적하지 않은 제올라이트 상이 형성되거나 분리막 두께가 두꺼워져 분리능이 저하될 수 있다.Next, the hydrothermal treatment (S150) is preferably performed for 12 to 48 hours at a temperature of 70 ~ 140 ℃. In this case, when the temperature of the
본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막은 상술한 과정을 거쳐서 용이하게 제조될 수 있다. 종래의 1 ~ 10㎛ 크기의 종결정을 이용하거나 또는 고가의 원료를 사용하고 정밀 제어된 공정으로 나노크기의 종결정을 제조하여 NaA 제올라이트 분리막을 제조하였으나, 본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막은 신뢰성 있게, 저가의 단순한 공정으로 나노크기의 종결정을 제조하여 NaA 제올라이트 분리막 제조에 사용함으로써, 균일하고 결함이 없는 NaA 제올라이트 분리막을 안정적으로 제조할 수 있는 것이다.NaA zeolite membrane according to the present invention can be easily produced through the above-described process. NaA zeolite membranes were prepared using conventional seed crystals having a size of 1 to 10 μm or using expensive raw materials and nanoscale seed crystals by a precisely controlled process. However, NaA zeolite membranes according to the present invention are reliably By producing nano-sized seed crystals in a simple, low-cost process and using them for the production of NaA zeolite membranes, it is possible to stably produce a uniform, defect-free NaA zeolite membrane.
이하에서는 실시예 및 비교예에 기초하여 본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막에 대해 보다 구체적으로 설명하는 것으로 한다.Hereinafter, the NaA zeolite separator according to the present invention will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples.
실시예1Example 1
수열용액 원료로서 상기 도 2에 도시된 바와 같이 물유리(Water Glass), 알루민산나트륨(Sodium Silicate), 수산화나트륨(NaOH)을 물에 녹여 수용액을 제조한 후에 28℃에서 24시간 교반하여 수열용액을 제조하였다. 수열용액 총 부피는 500ml이었으며, 수열용액 중의 Al2O3, SiO2, Na2O, H2O의 몰수는 각각 1, 2, 4.5, 600이었다.As a hydrothermal solution raw material, as shown in FIG. 2, water glass, sodium aluminate, sodium hydroxide (NaOH) was dissolved in water to prepare an aqueous solution, and then stirred at 28 ° C for 24 hours to prepare a hydrothermal solution. Prepared. The total volume of the hydrothermal solution was 500 ml, and the moles of Al 2 O 3 , SiO 2 , Na 2 O, and H 2 O in the hydrothermal solution were 1, 2, 4.5, and 600, respectively.
1g의 NaA 제올라이트 분체를 20g 물과 90g의 직경 1mm 알루미나 볼을 이용하여 500cylces/min 속도로 24시간 습식진동분쇄하고, 6000rpm에서 10분 원심분리하고 200g 물에 희석시켜 0.1중량% 종결정 보관슬러리를 제작하였다. 제작된 종결정 보관슬러리 4ml를 발췌하여 150g 물에 희석하여 0.0026중량% 종결정 슬러리를 제조하였다. 1 g of NaA zeolite powder was wet-pulverized for 24 hours at 500 cylces / min using 20 g of water and 90 g of diameter 1 mm alumina balls, centrifuged at 6000 rpm for 10 min and diluted in 200 g of water to obtain 0.1 wt% seed crystal storage slurry. Produced. 4 ml of the prepared seed crystal storage slurry was extracted and diluted in 150 g of water to prepare a 0.0026 wt% seed crystal slurry.
다음으로, 길이 40cm, 외경 8mm, 기공경 35%, 평균기공경 0.1㎛를 갖는 알파-알루미나 지지체 외부표면에 0.0026중량% 종결정 슬러리를 접촉시키고, 내부 압력을 150torr, 20분 유지시킨 후에 100℃에서 12시간 건조시켜 종결정 부착된 지지체를 제조하였다.Next, a 0.0026% by weight seed crystal slurry was brought into contact with the outer surface of the alpha-alumina support having a length of 40 cm, an outer diameter of 8 mm, a pore diameter of 35%, and an average pore diameter of 0.1 µm, and the internal pressure was maintained at 150 torr for 20 minutes, followed by 100 ° C. It was dried for 12 hours to prepare a seed crystal attached support.
그 다음으로, 수열용액 중 330ml의 수열용액을 용적 400ml 수열합성기에 넣은 상태에서 상기 종결정 부착된 지지체를 담지하고 수열합성기를 밀봉한 후에 100℃에서 24시간 수열처리한 후에 물로 5번 이상 세척하고 건조하여 NaA 제올라이트 분리막을 제조하였다.Subsequently, in a state in which 330 ml of a hydrothermal solution was put in a volume of 400 ml hydrothermal synthesizer, the substrate was attached to the seed crystals, and the hydrothermal synthesizer was sealed. To dry to prepare a NaA zeolite separator.
비교예1Comparative Example 1
상기 실시예1과 동일한 공정으로 수열용액을 제조하였고 수열용액 중의 Al2O3, SiO2, Na2O, H2O의 몰수는 각각 1, 2, 4.5, 600이었다.The hydrothermal solution was prepared in the same manner as in Example 1, and the number of moles of Al 2 O 3 , SiO 2 , Na 2 O, and H 2 O in the hydrothermal solution was 1, 2, 4.5, and 600, respectively.
1g의 NaA 제올라이트 분체를 1000g 물에 교반과 초음파 공정을 혼용하여 분산시켜 0.1중량% 종결정 슬러리를 제조한 후에 160ml를 발췌하였다.1 g of NaA zeolite powder was dispersed in 1000 g of water by mixing with ultrasonic process to prepare 0.1 wt% seed crystal slurry, followed by extracting 160 ml.
상기 실시예1에서 사용된 알파-알루미나 지지체 외부표면에 0.1중량% 종결정 슬러리를 접촉시키고, 내부 압력을 상기 실시예1와 동일한 150torr, 20분 유지시킨 후 100℃에서 12시간 건조시켜 종결정 부착된 지지체를 제조하였다.0.1 wt% seed crystal slurry was brought into contact with the outer surface of the alpha-alumina support used in Example 1, and the internal pressure was maintained at 150 torr for 20 minutes, followed by drying at 100 ° C. for 12 hours to attach seed crystals. Prepared support was prepared.
다음으로, 수열용액 중 330ml의 수열용액을 용적 400ml 수열합성기에 넣은 상태에서 상기 종결정 부착된 지지체를 담지하고, 수열합성기를 밀봉한 후에 100℃ 에서 24시간 수열처리한 후에 물로 5번 이상 세척하고 건조하여 NaA 제올라이트 분리막을 제조하였다. Next, the 330 ml of the hydrothermal solution in the hydrothermal solution was placed in a volume 400 ml hydrothermal synthesizer, and the supporting body with the seed crystals was supported.The hydrothermal synthesizer was sealed and then hydrothermally treated at 100 ° C. for 24 hours, followed by washing with water at least 5 times To dry to prepare a NaA zeolite separator.
상기와 같이 제조한 NaA 제올라이트 분리막을 가지고 다음과 같은 특성을 평가하였다.The NaA zeolite membrane prepared as described above was evaluated as follows.
[미세구조][Fine structure]
상기 각 실시예1 및 비교예1에 따른 NaA 제올라이트 분리막의 미세구조는 주사전자현미경으로 그 파단면을 관찰함으로써 평가할 수 있었다. 파단면의 양상에 따라서 형성된 NaA 제올라이트 분리층을 균일도를 판단할 수 있다.The microstructures of the NaA zeolite separators according to Examples 1 and Comparative Example 1 above were evaluated by observing the fracture surface with a scanning electron microscope. The uniformity of the NaA zeolite separation layer formed according to the aspect of the fracture surface can be determined.
[분리계수][Separation factor]
상기 각 실시예1 및 비교예1에 따른 제올라이트 분리막의 분리성능은 분리 계수에 의해 평가할 수 있다. 분리 계수란, 예를 들어, 물과 에탄올을 분리하는 경우는, 분리 전의 혼합액 중의 물의 농도를 A1 몰%, 에탄올의 농도를 A2 몰%로 하고, NaA 제올라이트 분리막을 투과한 액체 또는 기체 중의 물의 농도를 B1 몰%, 에탄올의 농도를 B2 몰%로 하여, (B1/B2)/(A1/A2)로 나타내지는 값이다. Separation performance of the zeolite separator according to each of Example 1 and Comparative Example 1 can be evaluated by the separation coefficient. The separation coefficient is, for example, when separating water and ethanol, the concentration of water in the mixed liquid before separation is A1 mol% and the concentration of ethanol is A2 mol%, and the concentration of water in the liquid or gas that has passed through the NaA zeolite membrane It is a value represented by (B1 / B2) / (A1 / A2) making B1 mol% and ethanol concentration B2 mol%.
분리 계수가 클수록 분리성능이 뛰어나다고 판단할 수 있으며 분리막에 결함이 없음을 의미한다. The larger the separation coefficient, the better the separation performance, which means that there is no defect in the membrane.
[투과유속]Permeate Flow Rate
상기 각 실시예1 및 비교예1에 따른 제올라이트 분리막의 물 투과유속은 총 투과유속과 투과된 물질의 농도로부터 평가할 수 있다. 투과 유속이란 단위 시간과 단위 면적에 액체 또는 기체가 NaA 제올라이트 분리막을 투과하는 양을 말하며, 우수한 분리계수를 갖으면서 투과 유속이 클수록 실용성이 뛰어나다고 판단할 수 있다.The water permeation flux of the zeolite separation membranes according to Examples 1 and Comparative Example 1 may be evaluated from the total permeation flux and the concentration of the permeate material. The permeation flow rate refers to the amount of liquid or gas permeating the NaA zeolite membrane at a unit time and a unit area. The permeation flow rate can be judged to be excellent in practicality as the permeation flow rate is large while having an excellent separation coefficient.
상기 실시예1과 비교예1에 의해 얻어진 NaA 제올라이트 분리막의 특성은 하기 표 1에 나타내었으며, 그 파면에 대한 주사전자현미경 사진 및 습식진동분쇄 및 원심분리 공정으로 제조된 종결정의 주사전자현미경 사진은 하기 도 3a, 도 3b, 도 4a 및 4b와 같다.The characteristics of the NaA zeolite separators obtained in Example 1 and Comparative Example 1 are shown in Table 1 below. Scanning electron micrographs of the wavefronts and scanning electron micrographs of seed crystals prepared by wet vibration grinding and centrifugation were 3A, 3B, 4A, and 4B.
도 3a는 본 발명에서 사용된 직경 1 ~ 10㎛ NaA 제올라이트 분체의 주사전자현미경 사진이고, 도 3b는 본 발명에서 습식진동분쇄 및 원심분리에 의해 개발된 종결정의 주사전자현미경 사진이다.Figure 3a is a scanning electron micrograph of the diameter of 1 ~ 10㎛ NaA zeolite powder used in the present invention, Figure 3b is a scanning electron micrograph of seed crystals developed by wet vibration grinding and centrifugation in the present invention.
본 발명에서는 도 3a에 나타난 바와 같이 1 ~ 10㎛ NaA 제올라이트 분체를 습식진동분쇄 및 원심분리하여, 도 3b에서와 같은 직경 100 ~ 300nm인 종결정을 제조한 것을 볼 수 있다. 이와 같은 종결정을 이용하여 본 발명에 따른 균질하고 치밀한 NaA 제올라이트 분리막을 제조할 수 있으며, 그 실시예를 구체적으로 나타내면 다음과 같다.In the present invention, as shown in FIG. 3a, by 1 to 10 μm NaA zeolite powder, by wet vibration milling and centrifugation, seed crystals having a diameter of 100 to 300 nm as shown in FIG. 3b can be seen. Such seed crystals can be used to prepare a homogeneous and dense NaA zeolite separation membrane according to the present invention.
도 4a는 본 발명에 따라 제조된 NaA 제올라이트 분리막 파면에 대한 주사전자현미경 사진이고, 도 4b는 종래 기술에 따라 제조된 NaA 제올라이트 분리막 파면에 대한 주사전자현미경 사진이다.Figure 4a is a scanning electron micrograph of the wavefront of NaA zeolite membrane prepared according to the present invention, Figure 4b is a scanning electron micrograph of the wavefront of NaA zeolite membrane prepared according to the prior art.
도 4a 및 도 4b의 각 스케일 바를 참조하여 살펴 보면, 실시예1에서 얻어진 본 발명의 NaA 제올라이트 분리막의 분리층은 두께가 7㎛로 매우 균일한 반면(도 4a 참조), 비교예1에 의해 얻어진 NaA 제올라이트 분리막의 분리층은 평균두께가 5㎛ 이나 매우 불균질한 것을 알 수 있다(도 4b 참조).Referring to each of the scale bars of FIGS. 4A and 4B, the separation layer of the NaA zeolite separator of the present invention obtained in Example 1 has a very uniform thickness of 7 μm (see FIG. 4A), but is obtained by Comparative Example 1 It can be seen that the separation layer of the NaA zeolite membrane is very heterogeneous with an average thickness of 5 μm (see FIG. 4B).
또한, 실시예1에서 얻어진 본 발명의 NaA 제올라이트 분리막의 분리층에는 어떠한 결함도 보이지 않는 반면(도 4a 참조), 비교예1에 의해 얻어진 NaA 제올라이트 분리막의 분리층에는 결정입자간 결함 즉, 비제올라이트 기공이 다량 존재함을 확인할 수 있다(도 4b 참조).In addition, while no defects were observed in the separation layer of the NaA zeolite separation membrane of the present invention obtained in Example 1 (see FIG. 4A), defects between crystal grains, that is, non-zeolite, were present in the separation layer of the NaA zeolite separation membrane obtained in Comparative Example 1 It can be seen that a large amount of pores (see Fig. 4b).
따라서, 본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막의 분리층이 매우 균질하고, 치밀한 구조로 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 이를 구체적인 수치 범위로 측정하기에는 현실적으로 어려운 면이 있으므로, 본 발명에서 사용된 '균질하고, 치밀한'의 표현은 불가피하게 사용된 용어이며, 기준을 밝혀야 한다면 사진 상에 표시된 상태를 기준으로 균질성 및 치밀성을 판단하는 것으로 한다.Therefore, it can be seen that the separation layer of the NaA zeolite membrane according to the present invention is very homogeneous and has a dense structure. However, since it is practically difficult to measure this in a specific numerical range, the expression “homogeneous and dense” used in the present invention is inevitably used, and if the criteria should be identified, homogeneity and It shall be judged the density.
다음으로, 하기 표 1은 상기 실시예1과 비교예1에 의해 얻어진 NaA 제올라이트 분리막을 5중량% 물-95중량% 에탄올, 1중량% 물-99중량% 에탄올 혼합액에 대하여 60℃에서 평가한 분리성능을 측정한 결과를 나타낸 것이다. Next, Table 1 shows the separation of NaA zeolite membranes obtained in Example 1 and Comparative Example 1 at 60 ° C. for 5 wt% water-95 wt% ethanol and 1 wt% water-99 wt% ethanol mixture. It shows the result of measuring the performance.
[표 1] TABLE 1
(중량%)Amount of water in the water-alcohol mixture
(weight%)
(℃)Separation temperature
(℃)
(kg/m2hr)Total penetration flow rate
(kg / m 2 hr)
실시예 1에서 얻어진 본 발명의 NaA 제올라이트 분리막은 5중량% 물-95중량% 에탄올 혼합액에 대하여 52,606의 매우 우수한 분리계수를 나타낸 반면, 비교예 1에서 얻어진 NaA 제올라이트 분리막은 5중량% 물-95중량% 에탄올 혼합액에 대하여 110의 낮은 분리계수를 나타낸다. The NaA zeolite membrane obtained in Example 1 exhibited a very good separation coefficient of 52,606 with respect to the 5 wt% water-95 wt% ethanol mixture, whereas the NaA zeolite separator obtained in Comparative Example 1 was 5 wt% water-95 wt%. A low separation coefficient of 110 is shown for the% ethanol mixture.
이는 본 발명에 의해 얻어진 NaA 제올라이트 분리막의 분리층에 비제올라이트 기공(non-zeolitic pore) 등 결함이 없음을 증명하고 있으며, 도 4a의 주사전자현미경 사진에서도 그 사실을 뚜렷이 나타내고 있다.This proves that there are no defects such as non-zeolitic pores in the separation layer of the NaA zeolite membrane obtained by the present invention, and the scanning electron micrograph of FIG. 4A clearly shows the fact.
또한, 실시예 1에서 얻어진 본 발명의 NaA 제올라이트 분리막은 0.06kg/m2hr의 매우 낮은 물 투과유속을 나타낸 반면, 비교예1에서 얻어진 NaA 제올라이트 분리막은 1.2kg/m2hr로 매우 큰 물 투과유속을 나타낸다. In Examples NaA zeolite separation membrane of the present invention obtained in 1 NaA zeolite membrane is very large water permeation to 1.2kg / m 2 hr obtained in the other hand, shows a very low water permeation flow rate of 0.06kg / m 2 hr, Comparative Example 1 Indicates the flow rate.
비교예1에서 얻어진 NaA 제올라이트 분리막의 높은 투과유속은 비제올라이트 기공에 의해서 나타나며, 도 4b의 주사전자현미경 사진에서도 그 사실을 뚜렷이 알 수 있다. The high permeation flux of the NaA zeolite membrane obtained in Comparative Example 1 is shown by the non-zeolite pores, which can be clearly seen in the scanning electron micrograph of FIG. 4B.
여기서, 비제올라이트 기공 즉, 결함이 없는 NaA 제올라이트 분리막은 물/알 코올의 완벽한 분리가 가능하여 물-알코올 혼합액의 물의 중량%가 5중량% 이하로 감소할 때에 발생할 수 있는 분리계수의 저하 현상이 발생하지 않는다. 즉, 물의 중량%가 1중량%인 혼합액에 대하여도 본 발명의 NaA 제올라이트 분리막은 49,000 분리계수를 얻을 수 있었다. Here, the non-zeolitic pores, that is, the defect-free NaA zeolite membranes are capable of the complete separation of water / alcohol, so that the degradation coefficient of separation may occur when the weight% of water in the water-alcohol mixture is reduced to 5% by weight or less. Does not occur. That is, the NaA zeolite membrane of the present invention was able to obtain a 49,000 separation coefficient even with respect to a mixed solution in which the weight% of water was 1% by weight.
따라서, 본 발명의 NaA 제올라이트 분리막을 물/알코올 분리 공정에 적용할 경우, 종래의 NaA 제올라이트 분리막이 탑재된 물/알코올 분리 공정에서 알코올 누출을 방지하기 위하여 장착되는 에너지 집약적인 열교환기를 탑재하지 않아도 효과적으로 운전가능하다. 또한 본 발명의 NaA 제올라이트 분리막은 상대적으로 비제올라이트 기공 등의 결함이 없기 때문에 기체분리 또는 기체 투과가 요구되는 막반응 공정에 적용하면 효과적인 결과를 얻을 수 있다. Therefore, when the NaA zeolite membrane of the present invention is applied to a water / alcohol separation process, an energy-intensive heat exchanger mounted to prevent alcohol leakage in the water / alcohol separation process equipped with a conventional NaA zeolite membrane is effectively mounted. It is possible to drive. In addition, since the NaA zeolite membrane of the present invention is relatively free from defects such as non-zeolite pores, it may be effective when applied to a membrane reaction process requiring gas separation or gas permeation.
따라서, 본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막 제조 방법은 분리층이 균일하고 결함이 없는 제올라이트 분리막 제조 공정을 제공할 수 있다. Therefore, the method for producing NaA zeolite separator according to the present invention can provide a process for preparing a zeolite separator in which the separation layer is uniform and free from defects.
이상에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다. Although the above has been described with reference to one embodiment of the present invention, various changes and modifications can be made at the level of those skilled in the art. Such changes and modifications may belong to the present invention without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.
도 1은 종래 기술에 따른 NaA 제올라이트 분리막 제조 방법을 도시한 순서도.1 is a flow chart illustrating a method for preparing a NaA zeolite membrane according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 NaA 제올라이트 분리막 제조 방법을 도시한 순서도.Figure 2 is a flow chart illustrating a method for producing a NaA zeolite separator according to the present invention.
도 3a는 본 발명에서 사용된 직경 1 ~ 10㎛ NaA 제올라이트 분체의 주사전자현미경 사진.Figure 3a is a scanning electron micrograph of the diameter of 1 ~ 10㎛ NaA zeolite powder used in the present invention.
도 3b는 본 발명에서 습식진동분쇄 및 원심분리에 의해 개발된 종결정의 주사전자현미경 사진.Figure 3b is a scanning electron micrograph of seed crystals developed by wet vibration grinding and centrifugation in the present invention.
도 4a는 본 발명에 따라 제조된 NaA 제올라이트 분리막 파면에 대한 주사전자현미경 사진.Figure 4a is a scanning electron micrograph of the wavefront of NaA zeolite membrane prepared according to the present invention.
도 4b는 종래 기술에 따라 제조된 NaA 제올라이트 분리막 파면에 대한 주사전자현미경 사진.Figure 4b is a scanning electron micrograph of the wavefront of NaA zeolite membrane prepared according to the prior art.
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