KR20150125183A - Synthetic Method of Kapok-Zeolite hybrid composites - Google Patents

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KR20150125183A
KR20150125183A KR1020140052103A KR20140052103A KR20150125183A KR 20150125183 A KR20150125183 A KR 20150125183A KR 1020140052103 A KR1020140052103 A KR 1020140052103A KR 20140052103 A KR20140052103 A KR 20140052103A KR 20150125183 A KR20150125183 A KR 20150125183A
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박승규
박건희
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호서대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for synthesizing a kapok-zeolite composite, which comprises the steps of: (step 1) treating kapok with a surfactant; (step 2) producing a mixture by mixing silica sol, sodium aluminate, sodium hydroxide, tetrapropyl ammonium bromide (TPABr), and water; (step 3) aging the mixture; (step 4) hydrothermally reacting the aged mixture with the treated kapok; (step 5) filtering and washing the synthesized material; and (step 6) drying the filtered and washed synthesized material. Synthesis is performed after surface properties of kapok are changed by using an anion surfactant, so a very uniform zeolite layer is formed on a surface of kapok. Compared to ZSM-5 of Zeolyst Company, heavy metal removing effects are twice excellent.

Description

카폭-제올라이트 복합체의 합성방법{Synthetic Method of Kapok-Zeolite hybrid composites}Synthetic Method of Kapok-Zeolite Hybrid Composites < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 천연섬유인 카폭(Kapok)을 template로 하여 표면에 ZSM-5계 제올라이트를 부착시켜 Kapok-Zeolite hybrid Composites를 합성할 수 있도록 하는 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a method of synthesizing kapok-zeolite hybrid composites by attaching ZSM-5 zeolite to the surface of a natural fiber Kapok as a template. Kaolin-zeolite complexes.

제올라이트는 1950년대 합성되어 천연물과의 결정 구조, 분자 크기, 흡착특성 등이 검토되어 사용되었으며, 1960년대에 이르러 합성 제올라이트가 공업용 촉매로 활용되면서 100 여종이 합성되었다. 촉매, 흡착제, 세제의 첨가제 등으로 많이 쓰이는 물질로서 석유화학에서는 접촉분해, 이성질화, 알킬화 등 여러 공정에 촉매로 쓰인다. 이 중 ZSM-5(Zeolite Socony Mobile Number 5)는 1972년에 Argaure와 Landolt에 의해 수열 합성법(hydrothermal method)으로 만들어진 3차원 채널을 가진 medium pore 제올라이트이다. MFI 구조를 가진 결정성 알루미노실리게이트(aluminosilicate)로서 세공이 직선으로 통과하는 straight channel과 zig-zag 형태인 sinusoidal channel이 삼차원 구조로 연결되어 있는 구조를 가지며 사인파 형태의 기공과 타원형의 곧은 기공을 가진다. ZSM-5계 제올라이트 결정 생성 시 구조 결정 기능과 결정 생성 후 상전이를 방지하는 구조 안정화제의 기능을 하는 유도체로써 TPABr(Tetrapropyl ammonium bromide)나 TPAOH(tetrapropyl ammonium hydroxide)가 주로 사용되고 이러한 유기 아민계 유도체는 결정 생성과정에서 Na+ 등의 양이온이 핵성성을 촉진하고 TPA+은 다른 이온과 착물을 형성하여 핵 생성시 template 기능을 갖게 되는 것이다.
The zeolite was synthesized in the 1950 's and its crystal structure, molecular size and adsorption characteristics with natural products were investigated. In the 1960' s, synthetic zeolite was used as an industrial catalyst and 100 kinds were synthesized. Catalysts, adsorbents, and additives for detergents. Petrochemicals are used as catalysts in various processes such as catalytic cracking, isomerization and alkylation. Among these, Zeolite Socony Mobile Number 5 (ZSM-5) is a medium pore zeolite with a three-dimensional channel made by hydrothermal method by Argaure and Landolt in 1972. It is a crystalline aluminosilicate with MFI structure. It has a structure in which a straight channel through which pores are linearly passed and a sinusoidal channel in the form of zig-zag are connected by a three-dimensional structure, and has a sine-shaped pore and an oval- I have. Tetrapropyl ammonium bromide (TPABr) and tetrapropyl ammonium hydroxide (TPAOH) are mainly used as structural stabilizers to prevent crystal formation and phase transition after crystal formation during ZSM-5 zeolite crystal formation. These organic amine derivatives In the crystal formation process, cations such as Na + promote nucleation and TPA + forms a complex with other ions, so that they have a template function during nucleation.

이외에 Shiyun Sang 등은 BTA(n-butylamine), ETA(ethylamine), IPA(isopropylamine), EDA(ethylenediamine), ETL(ethanol), ETL-AM(ethanolammonium)을 이용하여 ZSM-5계 제올라이트를 합성하였다.
In addition, Shiyun Sang et al. Synthesized ZSM-5 zeolite using BTA (n-butylamine), ETA (ethylamine), IPA (isopropylamine), EDA (ethylenediamine), ETL (ethanol) and ETL-AM (ethanolammonium).

고 실리카 제올라이트인 ZSM-5의 합성은 보통 2~5일 동안 140~210℃의 온도 조건에서 이루어지기 때문에 반응의 사이즈를 제한하여 고압의 스테인레스 강철 용기에서 만들어진다. 대부분의 연구는 조성에 대한 최적화 연구가 진행되는데 이에 대한 대형 공정은 고압 반응기의 제작 및 설치에 따르는 많은 자본이 소요되는 단점이 있다.
Synthesis of ZSM-5, a high silica zeolite, is usually carried out in a high-pressure stainless steel vessel by limiting the size of the reaction, since it is usually carried out at a temperature of 140 to 210 ° C for 2 to 5 days. Most of the studies are on optimization studies on the composition, and large processes have a drawback in that they require a lot of capital to manufacture and install the high-pressure reactor.

대한민국등록특허공보 제10-0511638호(2005.08.31.)에는 ZSM-5계 제올라이트의 제조방법이 개시되어 있다. 상기 제조방법은 제올라이트를 수열합성함에 있어서 다공질 실리카 담체를 수산화 나트륨 수용액으로 처리하여 다공질 실리카 담체의 기공 내부를 활성화시킨 실리카원에 알루민산나트퓸 수용액을 흡수시켜서 상기 활성화된 실리카원과 알루미나원을 기공내에서 결합하게 하여 하이드로겔화시킴으로써 미세하고 균일한 ZSM-5 결정 입자를 합성하며, 상기 다공질 실리카 담체의 기공내에 포획된 상기 ZSM-5 결정 입자의 단결정 성장은 억제시키고 다결정상의 ZSM-5 응집체를 생성시킴으로써 ZSM-5계 제올라이트의 제조 수율을 대폭 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조 후 여과효율을 획기적으로 개선시킬 수 있어 제조원가 절감효과 및 친환경적인 효과를 동시에 갖는 장점이 있다.
Korean Patent Registration No. 10-0511638 (Aug. 31, 2005) discloses a process for producing ZSM-5 based zeolite. In the above-mentioned production method, in the hydrothermal synthesis of a zeolite, the porous silica support is treated with an aqueous solution of sodium hydroxide to absorb the aqueous solution of sodium aluminate into a silica source activated inside the pores of the porous silica support, To produce fine and uniform ZSM-5 crystal grains, thereby inhibiting single crystal growth of the ZSM-5 crystal grains trapped in the pores of the porous silica carrier and producing a polycrystalline ZSM-5 aggregate The present invention can remarkably improve the production yield of ZSM-5-based zeolite as well as drastically improve the filtration efficiency after the production, thereby reducing manufacturing cost and eco-friendly effect.

하지만, 아직까지 천연섬유인 카폭(Kapok)을 이용하여 ZSM-5계 제올라이트를 합성하는 방법은 연구되지 않았다.
However, a method of synthesizing ZSM-5 zeolite by using Kapok, a natural fiber, has not been studied yet.

KR 10-0511638 B1 2005.08.31.KR 10-0511638 B1 Aug. 31, 2005.

본 발명의 목적은 천연섬유인 카폭(Kapok)을 template로 하여 표면에 ZSM-5계 제올라이트를 부착시켜 Kapok-Zeolite hybrid Composites를 합성할 수 있도록 하는 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법을 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a method for synthesizing a kapok-zeolite composite in which Kapok-Zeolite hybrid composites can be synthesized by attaching ZSM-5 based zeolite to the surface using Kapok as a template.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.

본 발명은 카폭(Kapok)을 계면활성제로 treatment하는 단계(단계 1); 실리카 졸(Silica sol), 소듐 알루미네이트(Sodium aluminate), 수산화나트륨(Sodium hydroxide), TPABr(Tetrapropyl ammonium bromide) 및 물을 혼합하여 혼합물을 만드는 단계(단계 2); 상기 혼합물을 숙성(Aging)하는 단계(단계 3); 상기 treatment된 카폭(Kapok)과 상기 숙성된 혼합물을 수열합성(Hydrothermal reaction)시키는 단계(단계 4); 상기 합성물을 여과(Filtering) 및 수세(Washing)하는 단계(단계 5); 및 상기 여과 및 수세된 합성물을 건조(Dry)하는 단계(단계 6);를 포함하는 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법을 제공한다.The present invention relates to a method of treating Kapok with a surfactant (step 1); (Step 2) by mixing silica sol, sodium aluminate, sodium hydroxide, Tetrapropyl ammonium bromide (TPABr) and water to form a mixture; Aging the mixture (step 3); Hydrothermal reaction of the treated kapok with the aged mixture (step 4); Filtering and washing the composite (step 5); And drying (step 6) drying the filtered and washed composite. The present invention also provides a method of synthesizing a kapok-zeolite complex.

상기 단계 1에서, 상기 계면활성제는 음이온 계면활성제를 사용한다.In the step 1, the surfactant uses an anionic surfactant.

상기 단계 2에서, Si/Al ratio는 200 일 수 있다.In the step 2, the Si / Al ratio may be 200. [

상기 단계 4에서, 상기 수열합성은 150~185℃의 온도에서 200rpm으로 24시간 동안 교반하여 이루어진다.In step 4, the hydrothermal synthesis is carried out at a temperature of 150 to 185 DEG C at 200 rpm for 24 hours.

상기 수열합성은 Autoclave reactor에서 합성한다.
The hydrothermal synthesis is synthesized in an autoclave reactor.

본 발명에 따른 카폭-제올라이트 복합체는 음이온 계면활성제를 사용하여 카폭 표면성질을 변화시키고 난 후 합성하므로 카폭 표면에 매우 균일한 제올라이트 층이 형성되는 장점이 있으며, Zeolyst사의 ZSM-5에 비해 중금속 제거 효과가 2배 이상 우수한 장점이 있다.
Since the kapok-zeolite complex according to the present invention has an advantage that a uniform zeolite layer is formed on the kapok surface since an anionic surfactant is used to change the surface properties of the kapok, the heavy metal removal effect Is more than twice as good.

도 1은 본 발명에서 합성한 Zeolite microtube의 XRD pattern을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에서 합성한 Zeolite microtube의 TGA를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에서 합성한 Zeolite microtube의 FT-IR을 나타내는 도면.
도 4는 반응온도 150℃, Si/Al ratio = 200 조건에서 생성된 Zeolite를 나타내는 사진.
도 5는 반응온도 150℃, Si/Al ratio = 100 조건에서 생성된 Zeolite를 나타내는 사진.
도 6은 반응온도 150℃, Si/Al ratio = 25 조건에서 생성된 Zeolite를 나타내는 사진.
도 7은 반응온도 175℃, Si/Al ratio = 200 조건에서 생성된 Zeolite를 나타내는 사진.
도 8은 반응온도 175℃, Si/Al ratio = 100 조건에서 생성된 Zeolite를 나타내는 사진.
도 9는 반응온도 175℃, Si/Al ratio = 25 조건에서 생성된 Zeolite를 나타내는 사진.
도 10은 반응온도 185℃, Si/Al ratio = 200 조건에서 생성된 Zeolite를 나타내는 사진.
도 11은 반응온도 185℃, Si/Al ratio = 100 조건에서 생성된 Zeolite를 나타내는 사진.
도 12는 반응온도 185℃, Si/Al ratio = 25 조건에서 생성된 Zeolite를 나타내는 사진.
도 13은 양이온 계면활성제로 treatment하여 합성한 Zeolite microtube 사진.
도 14는 음이온 계면활성제로 treatment하여 합성한 Zeolite microtube 사진.
도 15는 카폭-제올라이트 합성을 설명하는 Schematic diagram.
도 16은 음이온 계면활성제로 treatment하고 합성온도를 150℃로 하고 Si/Al Ratio를 200으로 합성한 카폭-제올라이트 복합체의 시간에 따른 중금속 흡착율을 나타내는 도면.
도 17은 양이온 계면활성제로 treatment하고 합성온도를 185℃로 하고 Si/Al Ratio를 25로 합성한 카폭-제올라이트 복합체의 시간에 따른 중금속 흡착율을 나타내는 도면.
도 18은 시중에서 유통되고 있는 Zeolyst사의 ZSM-5의 시간에 따른 중금속 흡착율을 나타내는 도면.
1 is a view showing an XRD pattern of a zeolite microtube synthesized in the present invention.
2 is a view showing a TGA of a zeolite microtube synthesized in the present invention.
Fig. 3 is a view showing FT-IR of a zeolite microtube synthesized in the present invention. Fig.
FIG. 4 is a photograph showing the zeolite produced at a reaction temperature of 150 ° C and a Si / Al ratio = 200.
FIG. 5 is a photograph showing a zeolite produced at a reaction temperature of 150 ° C. under a Si / Al ratio = 100.
FIG. 6 is a photograph showing a zeolite produced at a reaction temperature of 150 ° C. and a Si / Al ratio = 25.
7 is a photograph showing a zeolite produced at a reaction temperature of 175 ° C and a Si / Al ratio = 200.
8 is a photograph showing the zeolite produced at a reaction temperature of 175 ° C and Si / Al ratio = 100.
9 is a photograph showing the zeolite produced at a reaction temperature of 175 ° C and Si / Al ratio = 25.
10 is a photograph showing a zeolite produced at a reaction temperature of 185 ° C and a Si / Al ratio = 200.
11 is a photograph showing a zeolite produced at a reaction temperature of 185 캜 and a Si / Al ratio = 100.
12 is a photograph showing a zeolite produced at a reaction temperature of 185 ° C and a Si / Al ratio = 25.
13 is a photograph of a zeolite microtube synthesized by treatment with a cationic surfactant.
14 is a photograph of a zeolite microtube synthesized by treating with an anionic surfactant.
15 is a Schematic diagram illustrating the synthesis of kapok-zeolite.
16 is a graph showing a heavy metal adsorption rate of a kapok-zeolite complex obtained by treating with an anionic surfactant at a synthesis temperature of 150 ° C and a Si / Al ratio of 200;
17 is a graph showing the heavy metal adsorption rate of a kapok-zeolite complex prepared by treating with a cationic surfactant at a synthesis temperature of 185 ° C and a Si / Al ratio of 25;
18 is a graph showing a heavy metal adsorption rate of ZSM-5 of Zeolyst, which is distributed in the market, over time.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

ZSM-5계 제올라이트는 물속에서 수열합성되기 때문에 반응이 진행되면 카폭(Kapok) 표면이 아닌 물속에서 결정이 자라난다.
Since ZSM-5 zeolite is hydrothermally synthesized in water, crystals grow in the water, not on the Kapok surface, as the reaction proceeds.

본 발명에서는 계면활성제를 사용하여 카폭(Kapok) 표면성질을 변화시키고 난 후 제올라이트를 합성하므로, 제올라이트가 카폭 표면에서 합성을 할 수 있도록 하여 Kapok-Zeolite hybrid composites를 합성한 것에 특징이 있다.
The present invention is characterized in that Kapok-Zeolite hybrid composites are synthesized by allowing zeolite to synthesize on the kapok surface since the surface properties of Kapok are changed by using a surfactant to synthesize zeolite.

먼저, 본 발명에 따른 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법을 설명한다.
First, the synthesis method of the kapok-zeolite complex according to the present invention will be described.

본 발명의 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법은,The method of synthesizing the kapok-zeolite complex of the present invention comprises:

카폭(Kapok)을 계면활성제로 treatment하는 단계(단계 1);Treating Kapok with a surfactant (step 1);

실리카 졸(Silica sol), 소듐 알루미네이트(Sodium aluminate), 수산화나트륨(Sodium hydroxide), TPABr(Tetrapropyl ammonium bromide) 및 물을 혼합하여 혼합물을 만드는 단계(단계 2);(Step 2) by mixing silica sol, sodium aluminate, sodium hydroxide, Tetrapropyl ammonium bromide (TPABr) and water to form a mixture;

상기 혼합물을 숙성(Aging)하는 단계(단계 3);Aging the mixture (step 3);

상기 treatment된 카폭(Kapok)과 상기 숙성된 혼합물을 수열합성(Hydrothermal reaction)시키는 단계(단계 4);Hydrothermal reaction of the treated kapok with the aged mixture (step 4);

상기 합성물을 여과(Filtering) 및 수세(Washing)하는 단계(단계 5); 및Filtering and washing the composite (step 5); And

상기 여과 및 수세된 합성물을 건조(Dry)하는 단계(단계 6);Drying the filtered and washed composite (step 6);

를 포함한다.
.

상기 단계 1에서 카폭(Kapok)은 천연의 식물성 종피섬유를 의미한다. 상기 계면활성제를 사용하여 카폭 표면성질을 변화시키되, 음이온 계면활성제(SDS)로 처리한 후 합성을 실시하면 카폭 표면에 매우 균일한 제올라이트 층이 형성될 수 있으므로, 음이온 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하다.
In step 1, kapok refers to natural vegetable seed fiber. Since the kaolin surface property is changed by using the above surfactant, when a synthesis is carried out after treatment with an anionic surfactant (SDS), a very uniform zeolite layer can be formed on the surface of the carapace, so that an anionic surfactant is preferably used .

상기 단계 2는 실리카 졸(Silica sol), 소듐 알루미네이트(Sodium aluminate), 수산화나트륨(Sodium hydroxide), TPABr(Tetrapropyl ammonium bromide) 및 물을 혼합하여 혼합물을 만드는 단계이다.
Step 2 is a step for preparing a mixture by mixing silica sol, sodium aluminate, sodium hydroxide, Tetrapropyl ammonium bromide (TPABr) and water.

ZSM-5 합성에 있어 영향을 미치는 인자로는 실리카원의 유형, Si/Al 비, 알칼리 용액의 농도, 반응물의 혼합순서, 결정화온도, 결정화시간, 숙성정도 및 교반 유무 등을 들 수 있다. Factors affecting the synthesis of ZSM-5 include type of silica source, Si / Al ratio, concentration of alkali solution, mixing order of reactants, crystallization temperature, crystallization time, degree of aging and stirring.

본 발명에서 실리카원으로서는 실리카 졸(Silica sol)을 사용할 수 있으며, 알루미나원은 소듐 알루미네이트(Sodium aluminate)을 사용할 수 있다.
In the present invention, silica sol may be used as the silica source, and sodium aluminate may be used as the alumina source.

상기 단계 3은 상기 혼합물을 24시간 이상 숙성하는 것이 바람직하다.
In the step 3, the mixture is preferably aged for at least 24 hours.

상기 단계 4는 상기 treatment된 카폭(Kapok)과 상기 숙성된 혼합물을 150~185℃의 온도에서 200rpm으로 24시간 동안 교반하여 수열합성시키는 것이 바람직하다.
In the step 4, the treated kapok and the aged mixture are preferably hydrothermally synthesized by stirring the mixture at a temperature of 150 to 185 DEG C at 200 rpm for 24 hours.

상기 단계 5는 상기 합성물을 여과 및 수세하는 단계이다.
Step 5 is a step of filtering and washing the compound.

상기 단계 6은 상기 여과 및 수세된 합성물을 60℃의 온도에서 24시간 동안 건조하는 것이 바람직하다.
In step 6, the filtered and washed composite is preferably dried at a temperature of 60 DEG C for 24 hours.

상기 단계 6 이후에 300~500℃의 온도에서 3℃/min 로 Calcination하는 단계가 추가될 수 있다.
After the step 6, a step of calcination at a temperature of 300 to 500 ° C at 3 ° C / min may be added.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the constitution and effects of the present invention will be described in more detail through examples. These embodiments are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these embodiments.

카폭(Kapok)을 계면활성제로 표면처리하였다. 실리카 졸(Silica sol), 소듐 알루미네이트(Sodium aluminate), 수산화나트륨(Sodium hydroxide), TPABr(Tetrapropyl ammonium bromide) 및 물을 혼합하여 혼합물을 만들었다. 상기 혼합물을 24시간 동안 숙성하였다. 상기 표면처리된 카폭과 상기 숙성된 혼합물을 150~185℃의 온도에서 200rpm으로 24시간 동안 교반하여 수열합성시켰다. 상기 합성물을 여과 및 수세하였다. 상기 여과 및 수세된 합성물을 60℃의 온도에서 24시간 동안 건조하여 카폭-제올라이트 복합체를 수득하였다.
Kapok was surface-treated with a surfactant. The mixture was made by mixing silica sol, sodium aluminate, sodium hydroxide, Tetrapropyl ammonium bromide (TPABr) and water. The mixture was aged for 24 hours. The surface treated kapok and the aged mixture were subjected to hydrothermal synthesis by stirring at a temperature of 150 to 185 DEG C at 200 rpm for 24 hours. The compound was filtered and washed with water. The filtered and washed composite was dried at a temperature of 60 캜 for 24 hours to obtain a kapo-zeolite complex.

[실험예 1][Experimental Example 1]

실시예 1에서 합성된 ZSM-5계 zeolite의 결정화 특성을 확인하기 위해 X-선 회절분석기(X-Ray Diffractometer)를 이용하여 0~50°의 회절범위에서 측정하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 제올라이트에 X-Ray를 조사시키면 구조내 원자의 규칙적인 배열에 의해 분산형태로 나타낸다. Bragg식 nλ=2dsinθ에 의해 2θ의 간격에 대해 나타낸 것은 제올라이트 성분이 대칭으로 되어 있음을 반영한다. 여기서 n=정수, λ=파장, d=원자 간격, θ=회절각을 각각 나타낸다. 도 1을 보면 2θ 값이 7.9, 8.8, 23.1, 23.9 에서 강한 특성 피크를 나타내며 이 같은 결과는 Arguer, Landolt 등이 밝힌 ZSM-5 특성 피크와 일치하는 것을 알 수 있다.
In order to confirm the crystallization characteristics of the ZSM-5 zeolite synthesized in Example 1, an X-ray diffractometer was used to measure the crystallization characteristics in the range of 0 to 50 °. The results are shown in FIG. 1 . When X-rays are irradiated on zeolites, they are expressed in a dispersed form by the regular arrangement of atoms in the structure. The spacing of 2? By Bragg formula n? = 2dsin? Reflects that the zeolite component is symmetrical. Where n = integer, λ = wavelength, d = atomic spacing, and θ = diffraction angle respectively. FIG. 1 shows that the 2θ values show strong characteristic peaks at 7.9, 8.8, 23.1, and 23.9, and these results are consistent with the characteristic peaks of ZSM-5 disclosed by Arguer, Landolt et al.

[실험예 2][Experimental Example 2]

ZSM-5계 제올라이트의 채널을 채우고 있는 template인 TPABr이 제거되는 온도를 결정하기 위해 10℃/min의 승온 속도로 0℃~950℃의 범위로 측정한 열분석 결과를 도 2에 나타내었다. 온도에 따른 중량감소 곡선을 보면 200℃ 부근에서 1차 중량감소로서 수분과 이온교환을 위해 사용된 NH+ 의 탈착이 이루어졌다. 2차 중량 감소는 420℃ 부근의 무게감량이 일어남과 동시에 발열피크가 나타나는데 이는 이온도 범위에서 template인 TPABr의 TPA+ 이온이 exothermic reaction에 의해 제거되는 것을 알 수 있다.
Fig. 2 shows the results of thermal analysis of the ZSM-5 zeolite measured at a heating rate of 10 [deg.] C / min in the range of 0 [deg.] C to 950 [deg.] C to determine the temperature at which TPABr as a template filling the channel is removed. The weight loss curve with temperature showed the removal of NH + used for water and ion exchange as a primary weight loss at around 200 ℃. The secondary weight reduction shows a weight loss at around 420 ° C and an exothermic peak, which indicates that the TPA + ion of the template TPABr is removed by the exothermic reaction.

[실험예 3][Experimental Example 3]

실시예 1에서 합성된 ZSM-5계 zeolite의 FTIR을 측정하여 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와 같이 1220㎝-1, 1100㎝-1, 800㎝-1, 550㎝-1, 450㎝- 1 에서 흡착밴드가 발견되었다. 이는 ZSM-5 제올라이트의 특성 흡착밴드로서 3차원 채널의 기공을 갖는 결정이 형성됨을 알 수 있다. 450㎝-1에서 T(T=Si, Al)-O band의 내부 정사면체의 굽힘 진동과 550㎝-1에서 MFI-type zeolite의 구조 중 하나인 D5R(Double five fing)을 명확히 보여준다. 파수 800㎝-1, 1100㎝-1, 1220㎝- 1 에서의 흡착밴드는 2회전축(two-fold axis)으로 D5R이 4개 연결된 사슬 구조가 존재하는 것을 의미한다.
The FTIR of the ZSM-5 zeolite synthesized in Example 1 was measured and shown in FIG. The absorption band at 1 has been found - 1220㎝ -1, 1100㎝ -1, 800㎝ -1, 550㎝ -1, 450㎝ As shown in FIG. It can be seen that as the characteristic adsorption band of ZSM-5 zeolite, crystals having three-dimensional channel pores are formed. Clearly shows the 450㎝ -1 T (T = Si, Al) MFI-type zeolite of D5R (Double five fing) one structure in the inner band -O tetrahedron bending vibration and 550㎝ -1 of at. Frequency 800㎝ -1, 1100㎝ -1, 1220㎝ - absorption bands at 1, is meant to D5R the four chain structure are linked to the existing rotating shaft 2 (two-fold axis).

[실험예 4][Experimental Example 4]

Zeolite의 촉매 활용에 있어 중요한 특성인 BET 표면적을 측정하였다. 합성하여 얻어진 zeolite의 기공을 채우고 있는 TPA+ 이온을 제거하는 하소 전 샘픔은 99.6㎡/g로서 낮은 비표면적의 값을 가지고 있었다. 그러나 하소 후 392㎡/g의 비표면적 값이 나왔다. 이는 TPA+ 이온을 제거함으로써 구조 내 기공이 발달하여 높은 값이 나왔다. Zeolite의 결정화도가 높은 경우에도 높은 값을 보이기도 한다. 보통 문헌의 ZSM-5 값은 340~410㎡/g 정도로 알려져 실시예 1에서 합성한 zeolite microtube 값과 비슷한 수준으로 나타났다.
The BET surface area, which is an important characteristic of the catalyst utilization of the zeolite, was measured. The TPA + ion filling the pores of the zeolite obtained by the synthesis was 99.6 m2 / g, which is a low specific surface area. However, after calcination, a specific surface area of 392 m 2 / g was obtained. This was due to the development of pores in the structure due to removal of TPA + ions. The high crystallinity of zeolite may also be high. The ZSM-5 value of the literature is known to be about 340 to 410 m 2 / g, which is similar to that of the zeolite microtube synthesized in Example 1.

[실험예 5][Experimental Example 5]

실시예 1에서, 반응온도와 Si/Al Ratio를 달리하면서 Zeolite를 제조하여 합성물질의 형상을 관찰하였으며, 그 결과를 도 4 내지 도 12에 나타내었다.
In Example 1, zeolite was prepared by varying the reaction temperature and Si / Al ratio, and the shape of the synthesized material was observed. The results are shown in FIGS. 4 to 12.

Degree Temp.(℃)Temp. (占 폚) Si/Al RatioSi / Al Ratio 44
150

150
200200
55 100100 66 2525 77
175

175
200200
88 100100 99 2525 1010
185

185
200200
1111 100100 1212 2525

도 4 내지 도 12를 보면, 그 형태는 전체적으로 1.2~2㎛의 크기로 구형에 가까운 각형 그리고 평평한 디스크 형태로 나타남을 확인할 수 있었다. 전체적으로 반응혼합물의 조성과 온도변화에 따라 결정모양이 크게 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. Si/Al ratio가 감소할수록 균일성을 잃고 모양의 다양성을 띄었다. 이것은 알칼리의 농도가 높은 경우에는 성장과정에서 화학 포텐셜이 높은 모서리 부분들이 재 용해 및 성장의 과정을 반복하면서 둥근 형태로 된 것으로 사료된다. Ratio값이 200일 때와 150~175℃의 온도범위에서 가장 ZSM-5 형태와 유사한 결정이 형성됨을 확인할 수 있었고, 그 이상의 온도에서는 구형에 가까운 형태의 결정이 형성되었다.
Referring to FIGS. 4 to 12, it can be seen that the shape of the disk is 1.2 to 2 탆 in overall, and is shaped like a rectangular disk and a flat disk. As a whole, it was observed that the crystal shape was greatly changed according to the composition and temperature of the reaction mixture. As the Si / Al ratio decreased, the uniformity was lost and the shape was diversified. It is considered that when the concentration of alkali is high, the corner portions having high chemical potential during the growth process are rounded by repeating the process of dissolution and growth. It was confirmed that crystals similar to the ZSM-5 form were formed at the Ratio value of 200 and at the temperature range of 150 to 175 ° C., and crystals near to spherical shape were formed at the temperatures higher than that.

[실험예 6][Experimental Example 6]

실시예 1에서, Kapok의 표면에서 성장시키기 위해 계면활성제의 이온성을 부여함으로써 self-assembling을 유도하였다. 양이온 계면활성제(CTAB)와 음이온 계면활성제(SDS)로 각각 비교하여 zeolite를 성장시켰으며, 그 결과를 도 13 및 도 14에 나타내었다.
In Example 1, self-assembling was induced by imparting the ionicity of a surfactant to grow on the surface of Kapok. The zeolite was grown by comparing with a cationic surfactant (CTAB) and an anionic surfactant (SDS), respectively. The results are shown in Figs. 13 and 14.

Degree Temp.(℃)Temp. (占 폚) Si/Al RatioSi / Al Ratio Kapok Per-treatmentKapok Per-treatment


도 13







13





150

150
200200


CTAB







CTAB




100100 2525
175

175
200200
100100 2525
185

185
200200
100100 2525 도 1414 150150 200200 SDSSDS

표 2의 조성으로 합성하여 양이온 계면활성제(CTAB)로 treatment 후 Kapok에 성장시킨 것을 도 13에 나타내었으며, Zeolite 합성조성에 상관없이 전체적으로 균일하게 성장하지 못했고 Zeolite의 형태 또한 일정하게 합성되지 않았다.The composition of Table 2 was synthesized, treated with a cationic surfactant (CTAB), and then grown on Kapok. The results are shown in FIG. 13. The zeolite was not uniformly grown regardless of the zeolite synthesis composition and the zeolite form was not uniformly synthesized.

음이온 계면활성제(SDS)로 treatment한 도 14의 경우 양이온 계면활성제에 비해 균일한 배열은 아니지만 Kapok의 내부와 외부에 비교적 잘 성장한 형태를 나타냄을 알 수 있다.In the case of FIG. 14 treated with an anionic surfactant (SDS), it is not uniformly arranged as compared with the cationic surfactant, but is relatively well grown inside and outside the Kapok.

이는 도 15와 같이 양이온 계면활성제의 경우 Zeolite 합성 시 template로 사용된 TPABr이 Kapok 외곽 쪽에서부터 뻗어 나가 Zeolite 입자들이 결정화되어 Kapok에서 성장이 어려운 반면, 음이온 계면활성제는 Kapok 표면의 음이온과 TPABr의 양이온을 띄는 ammonium이온의 상호작용으로 겉 표면에서부터 Zeolite 입자들이 성장했다고 판단할 수 있다.
As shown in FIG. 15, in the case of the cationic surfactant, the TPABr used as a template in the synthesis of the zeolite extends from the outer side of the Kapok to crystallize the zeolite particles and is difficult to grow in the Kapok. On the other hand, the anionic surfactant, It can be concluded that the interactions of prominent ammonium ions have resulted in the growth of zeolite particles from the outer surface.

[실험예 7][Experimental Example 7]

Stainless steel pressure vessel과 Autoclave reactor에서의 고온, 고압조건에서 수열합성을 비교하였다. Autoclave reactor에서 합성 시 평평한 디스크 형태나 원형의 형태의 Zeolite로서 결정화 되었고 또한 결정화된 Zeolite들이 Kapok에 잘 성장한 것이 확인되었다. 이와는 반대로 Stainless steel pressure vessel에서 수열합성시킨 경우는 Zeolite의 형태를 찾아보기 어려웠고 생성되다만 silica 입자들이 Kapok에 붙어 있었다. 결과적으로 고온, 고압조건에서 수열합성하여 Zeolite 합성과 self-assembling을 유도하기 위해선 strring도 함께 이루어져야 한다는 것으로 나타났다.
The hydrothermal synthesis of stainless steel pressure vessel and autoclave reactor was compared at high temperature and high pressure. In the autoclave reactor, it was crystallized as a flat disc or circular form of zeolite, and crystallized zeolite was well grown on Kapok. On the other hand, when hydrothermal synthesis was carried out in a stainless steel pressure vessel, the shape of the zeolite was hard to find and the silica particles were attached to the Kapok. As a result, hydrothermal synthesis at high temperature and high pressure conditions should be carried out in order to induce zeolite synthesis and self-assembling.

[실험예 8][Experimental Example 8]

본 발명에서 합성한 카폭-제올라이트 복합체의 중금속 흡착 정도를 실험하였다. 다음 식에 따라 흡착제거율을 구하였다.The degree of heavy metal adsorption of the kapok-zeolite complex synthesized in the present invention was examined. The adsorption removal rate was determined according to the following equation.

흡착제거율(%) = (Ci - Cf) * 100 / CiAdsorption removal rate (%) = (Ci - Cf) * 100 / Ci

(Ci = 시료의 초기농도(ppm), Cf = 흡착 반응 후 시료농도(ppm))
(Ci = initial concentration of the sample (ppm), Cf = concentration of the sample after the adsorption reaction (ppm))

실시예 1에서, 음이온 계면활성제로 treatment하고 합성온도를 150℃로 하고 Si/Al Ratio를 200으로 합성한 카폭-제올라이트 복합체의 중금속 흡착제거율을 도 16에 나타내었다.Fig. 16 shows heavy metal adsorption removal ratios of the kapok-zeolite complex prepared by treating with an anionic surfactant in Example 1 at a synthesis temperature of 150 ° C and a Si / Al ratio of 200.

실시예 1에서, 양이온 계면활성제로 treatment하고 합성온도를 185℃로 하고 Si/Al Ratio를 25로 합성한 카폭-제올라이트 복합체의 중금속 흡착제거율을 도 17에 나타내었다.FIG. 17 shows the heavy metal adsorption removal rate of the kappa-zeolite complex prepared by treating with a cationic surfactant in Example 1 and having a synthesis temperature of 185 ° C. and a Si / Al ratio of 25.

시중에서 유통되고 있는 Zeolyst사의 ZSM-5의 중금속 흡착제거율을 도 18에 나타내었다.FIG. 18 shows the heavy metal adsorption removal rate of ZSM-5 from Zeolyst, which is commercially available.

도 16 및 도 17을 보면 중금속 용액에서는 교반 시간이 증가함에 따라 중금속 원소들의 농도가 감소하였다. 결과적으로 Pb을 제외한 중금속들은 30분 내에 제거가 됨을 알 수 있다. 흡착제거율은 Cr>Cu>Zn>Ni>Pb 순으로 나타났다.
16 and 17, the concentration of heavy metal elements in the heavy metal solution decreased with increasing agitation time. As a result, it can be seen that heavy metals except Pb are removed within 30 minutes. Adsorption removal rates were in the order of Cr>Cu>Zn>Ni> Pb.

도 16을 보면, 음이온 계면활성제로 treatment하여 합성한 Zeolite는 중금속 흡착율이 Cr의 경우 22%로 가장 높았으며, 도 17을 보면 양이온 계면활성제로 treatment하여 합성한 Zeolite는 15%의 흡착율을 보였다. 이는 구조적이나 형태적으로 온전하게 생성되지 않았더라도 기본적으로 Kapok이 가진 기공과 Zeolite로서 발달된 기공으로 흡착된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 16, the adsorption rate of heavy metal was highest at 22% in the case of Zeolite synthesized by treatment with an anionic surfactant, and in FIG. 17, the adsorption rate of Zeolite synthesized by treatment with a cationic surfactant was 15%. It can be seen that Kapok is basically adsorbed into pores and zeolite developed pores even though they are not completely formed in structural or morphological form.

반면, 도 18을 보면 시중에서 유통되고 있는 Zeolyst사의 ZSM-5의 중금속 흡착율이 Cr의 경우 10% 정도인 것을 알 수 있다.On the other hand, FIG. 18 shows that the heavy metals adsorption rate of ZSM-5 of Zeolyst, which is distributed in the market, is about 10% in case of Cr.

따라서, 본 발명에 따른 카폭-제올라이트 복합체는 시중 유통되고 있는 Zeolyst사의 ZSM-5에 비해 시간에 따른 중금속 제거효과가 2배 이상 우수한 것을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the kapok-zeolite composite according to the present invention is twice or more superior to ZSM-5 of Zeolyst, which is in the market, over time to remove heavy metals.

이는 불규칙적인 배열을 가진 ZSM-5와는 달리 본 발명에 따른 카폭-제올라이트 복합체는 fiber 형태로 되어 있어 흡착에 유리한 구조와 높은 비표면적을 가져 제거율이 높았다고 해석할 수 있다.Unlike ZSM-5 having an irregular arrangement, the kapok-zeolite composite according to the present invention is in the form of a fiber and can be interpreted as having a favorable structure for adsorption and a high specific surface area, resulting in a high removal rate.

Claims (5)

카폭(Kapok)을 계면활성제로 treatment하는 단계(단계 1);
실리카 졸(Silica sol), 소듐 알루미네이트(Sodium aluminate), 수산화나트륨(Sodium hydroxide), TPABr(Tetrapropyl ammonium bromide) 및 물을 혼합하여 혼합물을 만드는 단계(단계 2);
상기 혼합물을 숙성(Aging)하는 단계(단계 3);
상기 treatment된 카폭(Kapok)과 상기 숙성된 혼합물을 수열합성(Hydrothermal reaction)시키는 단계(단계 4);
상기 합성물을 여과(Filtering) 및 수세(Washing)하는 단계(단계 5); 및
상기 여과 및 수세된 합성물을 건조(Dry)하는 단계(단계 6);
를 포함하는 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법.
Treating Kapok with a surfactant (step 1);
(Step 2) by mixing silica sol, sodium aluminate, sodium hydroxide, Tetrapropyl ammonium bromide (TPABr) and water to form a mixture;
Aging the mixture (step 3);
Hydrothermal reaction of the treated kapok with the aged mixture (step 4);
Filtering and washing the composite (step 5); And
Drying the filtered and washed composite (step 6);
≪ / RTI >
제 1항에 있어서, 상기 단계 1에서,
상기 계면활성제는 음이온 계면활성제를 사용하는 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법.
2. The method according to claim 1, wherein, in step 1,
Wherein said surfactant is an anionic surfactant.
제 1항에 있어서, 상기 단계 2에서,
Si/Al ratio가 200인 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법.
2. The method according to claim 1, wherein in step 2,
Synthesis method of kappa - zeolite complex having Si / Al ratio of 200.
제 1항에 있어서, 상기 단계 4에서,
상기 수열합성은 150~185℃의 온도에서 200rpm으로 24시간 동안 교반하는 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법.
2. The method of claim 1, wherein in step 4,
Wherein said hydrothermal synthesis is carried out at a temperature of from 150 to 185 DEG C at 200 rpm for 24 hours to synthesize a kappa-zeolite complex.
제 4항에 있어서,
상기 수열합성은 Autoclave reactor에서 합성하는 카폭-제올라이트 복합체의 합성방법.
5. The method of claim 4,
The hydrothermal synthesis is a synthesis method of a kapok-zeolite complex synthesized in an autoclave reactor.
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