KR20220048255A - 높은 실리카 골격조성을 갖는 kfi형 제올라이트 및 그 제조방법, 이를 이용한 프로필렌의 선택적 분리 방법 - Google Patents

높은 실리카 골격조성을 갖는 kfi형 제올라이트 및 그 제조방법, 이를 이용한 프로필렌의 선택적 분리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 KFI형 제올라이트 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 실리카 골격조성을 갖는 KFI형 제올라이트 및 그 제조방법, 이를 이용한 프로필렌의 선택적 분리 방법에 관한 것이다.
본 발명은 (Si/Al)T 비율이 10 이상인 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트를 이용하여 프로필렌을 분리하는 방법을 제공한다.

Description

높은 실리카 골격조성을 갖는 KFI형 제올라이트 및 그 제조방법, 이를 이용한 프로필렌의 선택적 분리 방법{The dealuminated high-silica zeolites with KFI topology, their manufacturing process and selective separation method as propylene adsorbents}
본 발명은 KFI형 제올라이트 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 실리카 골격조성을 갖는 KFI형 제올라이트 및 그 제조방법, 이를 이용한 프로필렌의 선택적 분리 방법에 관한 것이다.
석유화학산업에서 가장 많이 사용되고 있는 기초원료 중 하나인 프로필렌(propylene, C3H6)은 나프타분해공정(NCC: Naptha Cracking Center)을 통해서 생성되는데, 같은 탄소 개수를 갖고 유사한 물리화학적 특성을 보이는 프로판이 상당량 부산물로 생성된다. 따라서 높은 순도를 갖는 프로필렌을 얻기 위해서는 분리 공정이 필수적으로 수행 되어야 하는데, 현재까지 이 분리는 전통적인 액화증류법을 통해 수행 되어져 왔다. 하지만 액화증류법은 높은 에너지 소비를 동반하기 때문에 매년 증가하는 프로필렌 수요량을 맞추기 위해서는 이를 대체 할 수 있는 기술 개발이 반드시 필요한 상황이다. 그 중, 고체 다공성 소재를 이용한 흡착법은 에너지 소비가 적고 조작이 용이하기 때문에 증류법의 대체기술로 큰 기대를 받고 있다.
프로필렌과 프로판은 같은 탄소개수를 갖고 있어 물리화학적 특성은 매우 유사하여 그 분리 난이도가 상당히 높다. 현재까지 제올라이트 (Zeolite), 탄소분자체, Metal Organic Framework (MOFs), Zeolitic Imidazolate Framework (ZIFs)와 같은 결정성 다공성 소재들이 프로필렌/프로판 분리제로 제안 되어 왔지만, 그 중 제올라이트는 높은 비표면적, 조절 가능한 세공크기, 선택도, 기체 투과율을 보유 하고 있을 뿐만 아니라 타 다공성 무기소재에 비하여 월등히 우수한 열적/구조적 안정성을 갖고 있어 분리소재로서 그 가치가 매우 기대되는 물질 이다.
현재까지 DDR, CHA, IHW, LTA등 다양한 구조의 제올라이트에 대한 프로필렌/프로판 분리능이 연구되고 있으나, 일반적인 알루미노실리케이트 제올라이트는 상대적으로 강한 산성 때문에 사용한 흡착제를 반복 재생할 시 프로필렌의 올리고머화 (oligomerization)가 일어나 상용 분리제로서 사용하기에는 그 한계가 있다. 따라서 산성이 약하거나 전혀 없는 high-silica 혹은 pure-silica 제올라이트를 사용하여 프로필렌/프로판 분리연구가 수행 되고 있는데, 이러한 제올라이트의 합성에는 일반적으로 F- media가 포함되어 있다. F- media는 강한 산성 때문에 주변 기기를 부식시킬 뿐만 아니라, 경제, 안전, 건강, 환경적인 측면에서도 여전히 큰 단점이 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 F- media 없이, 높은 프로필렌의 흡착량 및 선택도를 가질 뿐만 아니라 프로필렌의 올리고머화를 억제할 수 있는 흡착제를 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 F- media 없이, 높은 프로필렌의 흡착량 및 선택도를 가질 뿐만 아니라 프로필렌의 올리고머화를 억제할 수 있는 흡착제용 제올라이트를 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 F- media 없이, 높은 프로필렌의 흡착량 및 선택도를 가질 뿐만 아니라 프로필렌의 올리고머화를 억제 할 수 있는 신규한 흡착제용 제올라이트의 제조 방법을 제공하는 것이다.
용어
Si/Al 비율은 제올라이트 전체의 실리콘과 알루미늄 몰비로 정의된다.
(Si/Al)T 비율은 제올라이트 골격구조만의 실리콘과 알루미늄 몰비로 정의된다.
'선택적으로 흡착'이라 함은 프로필렌을 포함하는 기체에서의 프로필렌의 농도보다 흡착된 기체에서 프로필렌의 농도가 증가하는 것으로 정의된다.
'프로필렌을 포함하는 기체'는 프로필렌과 하나 이상의 다른 기체들이 혼합된 혼합 기체이며, 예를 들어 프로판, 아르곤에서 선택되는 하나 이상의 기체가 프로필렌과 혼합된 기체이다.
발명 요약
상기과 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은
(Si/Al)T 비율이 10 이상인 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트를 이용하여 프로필렌을 분리하는 방법을 제공한다.
이론적으로 한정된 것을 아니지만, 종래 Si/Al 비율이 낮은 제올라이트들이 골격 내 알루미늄 함량이 높아 상대적으로 강한 산성을 나타내고, 이로 인해 흡착성이 우수하더라도 재생 시 프로필렌의 올리고머화가 발생하는 문제가 발생하기 때문에, 이를 해결할 수 있도록, 프로필렌을 효과적으로 흡수할 수 있으면서 재생시 프로필렌의 올리고머화를 방지할 수 있는 (Si/Al)T의 몰비가 높은 KFI 제올라이트를 사용하는 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 알루미노실리케이트 KFI 제올라이트는 재생시 프로필렌 올리머고의 형성을 실질적으로 방지할 수 있도록 (Si/Al)T 가 10 이상인 것이 바람직하며, 예를 들어, (Si/Al)T가 10~50인 제올라이트를 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트의 (Si/Al)T의 비는 10~20 일 수 있으며, 보다 바람직하게는 10~16 일 수 있으며, 가장 바람직하게는 15~16일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트는 프로필렌의 프로필렌의 흡착특성을 달리하거나 선택도를 높이기 위해서, 금속 양이온을 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, 금속 양이온은 1가 또는 2가 금속일 수 있으며, 상기 1가 또는 2가 금속은 바람직하게는 알카리 금속 또는 알칼리 토금속이며, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 금속이온을 포함하는 KFI 제올라이트는 하기 화학식 1로 표현되는 조성을 가질 수 있다.
0.1~10 MxO:1.0 Al2O3:5~100 SiO2 [화학식 1]
여기서 M은 1가 알칼리 금속 양이온, 2가 알칼리 토금속 양이온에서 하나 이상 선택되는 무기 양이온이며, X는 1 또는 2일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제올라이트에서 Al2O3와 SiO2의 비는 바람직하게는 1.0 Al2O3 :5.0~25 SiO2으로 표현될 수 있으며, 보다 바람직하게는 1.0 Al2O3 : 6~10 SiO2이다. 상기 MxO와 Al2O3의 비는 바람직하게는 0.2~10.0 MxO : 1.0 Al2O3이며, 보다 더 바람직하게는 0.5~5.0 MxO : 1.0 Al2O3일 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시에 있어서, 상기 제올라이트는 0.5~5.0 MxO : 1.0 Al2O3 : 6~10 SiO2일 수 있다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 알루미노실리케이트 KFI 제올라이트는 상기 하기 화학식 1로 표현되는 조성을 가지며, 하기 표 1에 나타낸 격자 간격들을 포함하는 X-선 회절 패턴을 갖는 알루미노실리케이트 제올라이트이다.
2θ D 100 ×O
6-7 13-14 M
9-10 9-10 VS
11-12 7-8 W
13-14 6-7 W
15-16 5.5-6.0 S
16-17 5.0-5.5 S
17-18 4.75-5.0 W
19-20 4.5-4.75 W
20-21 4.25-4.5 S
21-22 4.0-4.25 M
22-23 3.84-4.0 M
23-24 3.68-3.84 M
24-25 3.52-3.68 W
26-27 3.36-3.52 M
27-28 3.2-3.36 W
28-29 3.0-3.2 M
29-30 2.9-3.0 M
30-31 2.8-2.9 M
31-32 2.7-2.8 W
32-32.5 2.6-2.7 M
32.5-33 2.5-2.6 W
34-35 2.4-2.5 W
35-35.5 2.3-2.4 W
35.5-36 2.2-2.3 W
37-38 2.1-2.2 W
41-42 2.0-2.1 W
44-46 2.0-2.1 W
47-50 1-2 W
표 1에서, θ, d, I는 각각 브래그(Bragg)각, 격자간격, 그리고 X-선 회절 피크의 강도를 의미한다. 이 분말 X-선 회절 패턴을 포함하여 본 발명에서 보고되는 모든 분말 X-선 회절 데이터는 표준 X-선 회절 방법을 이용하여 측정하였으며, 방사원으로는 구리 Kα선과 40 kV, 30 mA에서 작동하는 X-선 튜브를 사용하였다. 수평으로 압축된 분말시료로부터 분당 5도(2θ)의 속도로 측정하였으며, 관찰된 X-선 회절 피크의 2θ 값과 피크 높이로부터 d 와 I 를 계산하였으며, 여기서, 100I/Io는 W(약함:0~20), M(중간:20~40), S(강함:40~60), VS(매우 강함:60~100)로 구분된다.
본 발명에 있어서, 상기 KFI형 제올라이트는 입방체 결정계 (cubic crystal system)의 Im-3m (#229)의 공간군에 속하며, 결정 축 단위세포 a, b, c는 15~25 Å, 보다 바람직하게는 18~20Å, 예를 들어, 대략 19, 19, 19 Å (Angstrom)일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 KFI 제올라이트는 흡착량을 높일 수 있도록 탈수된 제올라이트일 수 있다. 상기 탈수는 탈수 과정에서 결정 구조가 일부 붕괴되어 흡착량이 오히려 적어지는 것을 방지할 수 있도록, 비활성 가스의 존재하에 200 oC 이상의 온도, 바람직하게는 250~350 oC 의 온도에서 일정기간 동안 가열함으로써 이루어질 수 있다. 상기 '비활성 가스'는 제올라이트를 고온으로 가열하는 도중에 제올라이트의 격자구조나 구조 내의 양이온에 실질적인 변화를 동반하지 않는 가스를 의미한다. 대표적인 비활성 가스는 헬륨, 질소, 아르곤 등이다.
본 발명에 있어서, 상기 KFI 제올라이트는 제조과정에서 사용되는 유기구조유도분자를 제거하여 흡착량을 높일 수 있도록 소성된 제올라이트일 수 있다. 상기 소성은 비활성 가스에서 400 ℃이상, 보다 바람직하게는 450 ℃ 이상, 보다 더 바람직하게는 500 ℃에 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 프로필렌 분리방법은
프로필렌을 포함하는 기류를 (Si/Al)T 비율이 10 이상인 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트와 접촉시켜 프로필렌을 선택적으로 흡착하는 단계와,
프로필렌을 흡착한 제올라이트에서 프로필렌을 분리하는 단계
를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 프로필렌을 포함하는 기류는 프로필렌과 프로판을 포함하는 기류일 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 프로필렌의 흡착은 상온에서 0.05~1.0 bar의 범위에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 프로필렌의 탈착은 진공 내지 상압, 바람직하게는 불활성 기체, 예를 들어, 아르곤의 흐름하에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 프로필렌의 탈착은 상온 내지 가열, 바람직하게는 150 ℃의 이하의 온도에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 프로필렌의 탈착은 재생에 소요되는 에너지를 저감시킬 수 있도록 상온 및 상압에서 불활성 기체의 흐름하에서 이루어질 수 있다.
본 발명은 일 측면에 있어서,
(Si/Al)T 비율이 10 이상인 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트를 포함하는 프로필렌 흡착제를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 (Si/Al)T 비율이 10 이상인 제올라이트는 상온 및 1 bar에서 2~3 mmol/g의 프로필렌을 흡착할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 프로필렌 흡착제는 상기 제올라이트를 50 중량% 이상, 보다 바람직하게는 70 중량%이상, 보다 더 바람직하게는 90 중량% 이상, 가장바람직하게는 100 중량% 포함할 수 있다.
본 발명은 일 측면에서,
(Si/Al)T 비율이 10 이상인 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트를 제공한다.
본 발명은 다른 일 측면에 있어서,
하기 화학식 (2)의 조성물을 제공하는 단계
1.0 18-crown-6 : 1.0-5.0 K2O : 0.05-1.0 Sr(NO3)2 : 1.0 Al2O3: 5.0-20 SiO2 : 100-1000 H2O (2)
상기 화학식(2)의 조성물을 가열하는 단계; 및
상기 조성물에서 합성된 제올라이트를 수증기 처리 (steam-treatment)를 하는 단계를 포함하는 (Si/Al)T의 몰비가 10 이상인 KFI형 알루미노실리케이트 제올라이트를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 화학식(2)의 조성물은 기존의 문헌(Chatelain, T.; Patarin, J.; Farre, R.; Petigny, O.; Schulz, P. Synthesis and Characterization of 18-crown-6 ether-containing KFI-Type Zeolite. Zeolites 1996, 17, 328-333)을 참고하여 합성될 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 본 발명에 따른 제올라이트는 알루미늄금속(Al metal) 1몰에 대하여 1가의 수산화소듐(NaOH)수용액을 1 내지 3몰의 비율이 되도록 각각 첨가하여 1시간 교반시켜 제1 용액을 만들고, 2가의 질산스트론튬(Sr(NO3)2), 18-crown-6, 실리카 졸 (silica gel)를 산화알루미늄 1몰에 대하여 각각 0.05 내지 1.0몰, 1.0 몰, 5.0 내지 20 몰의 비율이 되도록 첨가하여 녹인 뒤 1시간 동안 교반하여 제2용액을 만든다. 그 후 제조된 제1용액을 제2용액에 천천히 한 방울씩 첨가한 후 상온에서 24시간 교반시켜 화학식 2와 같은 반응 혼합물을 수득한다.
[화학식 2]
1.0 18-crown-6 : 1.0-5.0 K2O : 0.05-1.0 Sr(NO3)2 : 1.0 Al2O3: 5.0-20 SiO2 : 100-1000 H2O
위에 서술된 순서와 시약을 사용하여 얻은 반응혼합물을 테프론 반응기에 옮기고 다시 스테인레스 강철로 만든 용기에 넣어 100-150 oC에서 가열하여 24시간 내지 14일 동안, 바람직하게는 9일 동안 가열하는 것이 좋다. 상기 가열 시간이 지나치게 경과할 경우, 장시간의 가열로 구조가 변형될 우려가 있다. 합성된 제올라이트는 550 oC에서 8시간 동안 가열을 하여 안에 있는 구조유도 물질을 제거 한 뒤 질산암모늄(NH4NO3)을 교환 시킨다.
위에 서술된 제올라이트를 반응기에 고정한 뒤, O2+N2 혼합가스를 일정 온도 이상 가열한 물(50-100 oC)에 통과시켜 30-100 ml min-1의 유량으로 600-900 oC에서, 바람직하게는 50 ml min-1의 유량으로 700 oC에서 가열을 한다. 상기 가열 시간이 지나치게 높거나 경과할 경우, 구조가 무너질 수 있다. 수증기 처리가 완료된 제올라이트는 프로필렌의 분리능을 증진시키기 위해 1가 또는 2가 금속을 이온교환 시킨다. 바람직하게는 알카리 금속 또는 알칼리 토금속이며, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 등을 사용할 수 있다. 상압이하에서 프로필렌을 흡착하기 위해서는 바람직하게는 Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg2+, Ca2+으로 이온교환되는 것이 좋다.
본 발명에서는 F- media가 아닌 기존의 알루미노실리케이트 제올라이트를 친환경적이고 간단한 수증기 법을 통하여 (Si/Al)T 몰비가 10 이상인 알루미노실리케이트 KFI형 제올라이트를 제조할 수 있는 방법을 개시하였다.
또한, 본 발명에 따른 제올라이트는 높은 프로필렌 흡착량, 선택도, 흡착속도를 보일 뿐만 아니라 프로필렌 올리고머를 억제하여 낮은 에너지비용으로도 흡착제를 재생할 수 있는 고효율 프로필렌 흡착용 제올라이트를 제공한다.
또한, 본 발명에서 이온교환 방법을 통해 이 물질의 골격 내 다양한 1가 및 2가 무기양이온으로 이온교환하여 다양한 프로필렌 흡착량 및 선택도를 가지는 흡착제 및 분리제가 제공되었다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 만들어진 알루미노실리케이트 제올라이트 KFI의 X-선 회절(XRD) 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 만들어진 알루미노실리케이트 제올라이트 KFI의 주사현미경(SEM) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 Na-ZK-5-973 (좌), Cs-ZK-5-973 (우)를 25 oC에서 프로필렌 기체의 압력을 0-1.0 bar를 연속적으로 변화시켜가며 프로필렌 흡착량을 측정한 흡착등온선 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 Na-ZK-5-973 (좌), Cs-ZK-5-973 (우)를 25 oC에서 프로판 기체의 압력을 0-1.0 bar를 연속적으로 변화시켜가며 프로판 흡착량을 측정한 흡착등온선 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 Na-ZK-5-973 (파랑색), Cs-ZK-5-973 (녹색)의 25 oC에서의 압력에 따른 프로필렌/프로판 선택도 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 Na-ZK-5-973 (좌), Cs-ZK-5-973 (우)를 0.1 (open symbol) 및 1.2 bar (closed symbol)의 압력을 가하여 시간에 따른 프로필렌 기체의 흡착량을 측정한 흡착속도 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 Na-ZK-5-973 (좌), Cs-ZK-5-973 (우)를 0.1 (open symbol) 및 1.2 bar (closed symbol)의 압력을 가하여 시간에 따른 프로판 기체의 흡착량을 측정한 흡착속도 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 Na-ZK-5-973 (좌), Cs-ZK-5-973 (우)를 25 oC에서 정적 조건에서 프로필렌 (파랑색) 기체에 대한 1.2 bar의 압력을 가하여 10번 반복하여 흡-탈착을 시킨 뒤 다시 프로판 (녹색) 기체를 10번 반복하여 흡-탈착을 시킨 재생능 결과이다.
도 9는 상용제올라이트 Na-A (좌) 및 Ca-A (우) 제올라이트를 25 oC에서 정적 조건에서 프로필렌 (파랑색) 기체에 대한 1.2 bar의 압력을 가하여 10번 반복하여 흡-탈착을 시킨 재생능 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 Na-ZK-5-973 (좌), Cs-ZK-5-973 (우)를 25 oC에서 동적 조건에서 프로필렌/프로판 혼합기체를 탈수된 ZK-5 제올라이트를 포함하는 반응기에 흘려주었을 때, 시간에 따라 반응기를 통과한 기체를 질량 분석기로 분석한 파과곡선 그림이다. 재생조건은 30분 동안 50 cc의 알곤 기체를 150 oC에서 흘려주었다.
도 11은 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 Na-ZK-5-973 (좌), Cs-ZK-5-973 (우)를 25 oC에서 동적 조건에서 프로필렌/프로판 혼합기체를 탈수된 ZK-5 제올라이트를 포함하는 반응기에 흘려주었을 때, 시간에 따라 반응기를 통과한 기체를 질량 분석기로 분석한 파과곡선 그림이다. 재생조건은 30분 동안 50 cc의 알곤 기체를 상온에서 흘려주었다.
이하, 본 발명을 대표적인 몇 가지 실시 예를 들어 수증기 처리를 한 알루미노실리케이트 제올라이트 KFI의 제조방법 및 이를 이용한 기체흡착 실험을 자세한 이해를 위하여 설명하나, 이는 단지 그 실시 양태를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1. 수증기 처리를 하여 골격구조의 (Si/Al)T 몰비가 10이상인 알루미노실리케이트 제올라이트 KFI의 제조
플라스틱 비이커에 먼저 3.04 g의 50% 수산화칼륨(KOH)을 15.12 g의 3차 증류수에 넣고, 0.5423 g의 알루미늄금속(Al metal)을 첨가하여 발생되는 수소(H2)를 제거하고 1시간 교반하여 수용액 A를 만든 후 그것을, 2.67 g의 18-crown-6, 0.214 g 질산스트론튬 (Sr(NO3)2) 콜로이달 실리카 졸(Ludox Hs-40)을 4.48 g의 3차 증류수에 넣어 1시간 교반하여 만든 수용액 B에 천천히 가한 후 24 시간 교반하여 하기한 화학식 3에 나타낸 조성의 반응혼합물을 얻었다.
[화학식 3]
1.0 18-crown-6 : 2.3 K2O : 0.1 Sr(NO3)2 : 1.0 Al2O3: 10 SiO2 : 220 H2O
이어서 상기에서 얻은 반응 혼합물을 테프론 반응기에 옮겨 넣은 후 다시 스테인레스 강철로 만든 용기에 넣어 110 oC에서 9일 동안 가열한 후 얻어진 고체 생성물을 물로 반복 세척하여 상온에서 건조하였다.
합성된 제올라이트는 550 oC에서 8시간 동안 가열을 하여 안에 있는 구조유도 물질을 제거한 뒤 질산암모늄(NH4NO3)을 교환 시킨다.
위에 서술된 제올라이트를 반응기에 고정한 뒤, O2+N2 혼합가스를 일정 온도 이상 가열한 물(80 oC)에 통과시켜 50 ml min-1의 유량으로 700 oC에서 8시간 가열을 한다. 상기 가열 시간이 지나치게 높거나 경과할 경우, 구조가 무너질 수 있다. 수증기 처리가 완료된 제올라이트는 프로필렌의 분리능을 증진시키기 위해 1가 또는 2가 금속을 이온교환 시킨다. 바람직하게는 알카리 금속 또는 알칼리 토금속이며, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 등을 사용할 수 있다. 상압이하에서 프로필렌을 흡착하기 위해서는 바람직하게는 Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg2+, Ca2+으로 이온교환되는 것이 좋다.
상기 실시예 1에서 얻은 고체분말로 X-선 회절 측정시험(방사원으로는 구리 Kα선과 40 kV, 30 mA에서 작동하는 X-선 튜브를 사용)을 하고 그 결과를 도 1에 나타내었다. 기존에 보고된 제올라이트들의 X-선 회절 패턴들과 비교하였을 때 알루미노실리케이트 제올라이트 KFI와 동일한 패턴을 가짐을 발견할 수 있었다. 하지만 수증기 처리로 인하여 전체적이 패턴의 강도(Intensity)가 다소 약함을 확인 할 수 있었다. 열중량 분석법 및 원소 분석 결과, 700 oC에서 수증기 처리를 한 제올라이트가 약 12 중량 %의 물을 함유하고 있는 것을 확인하였다. 또한 유도결합플라즈마 분석법(Inductive Coupled Plasma, 약어로 ICP) 및 27Al 핵자기 공명 (27Al Nuclear Magnetic Resonance, 약어로 NMR)을 사용하여 생성물의 골격구조의 (Si/Al)T 몰비가 16임을 알 수 있었다. 이와 함께, 합성된 제올라이트가 여러 물질 (Physical mixture)이 섞이지 않은 순수한 물질임을 확인하기 위하여 주사현미경(Scanning Electron Microscope, 약어로 SEM)을 측정한 결과(도 2), 매우 균일한 육방주의 결정모양이 관측되었으며, 다른 결정 모양은 관측되지 않았다.
실시예 2. Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 프로필렌 흡착
실시예 1에서 제조한 제올라이트 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973의 프로필렌 기체에 대한 흡착량 평가를 위하여, 먼저 제올라이트 시료 100 mg을 Quartz tube에 채운 뒤, 0.009 torr까지 감압하면서, 분당 10 oC부터 250 oC까지 승온하여 250 oC에서 3시간 동안 유지시켜 완전히 탈수시켰다. 그 물질은 진공상태에서 상온으로 냉각된 뒤, 물 상온 펌프(Water circulator)를 이용하여 25 oC에서, 프로필렌 압력을 연속적으로 변화시켜가며 프로필렌 흡착량을 측정하였다. 각각의 흡착 포인트는 최대 30분의 시간을 주었다. 그 결과를 도 3에 나타내었으며, 25 oC유지 시, Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 각각, 0.1 bar에서 1.5, 1.3 mmol g-1의 프로필렌 흡착량, 0.5 bar에서 2.0, 1.5 mmol g-1의 프로필렌 흡착량, 1.0 bar에서 2.2, 1.9 mmol g-1의 프로필렌 흡착량을 보이는 것으로 확인되었다. Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973의 흡착등온선 모양은 일반적인 미세공물질에서 나타나는 Langmuir (Type I) 형태의 흡착등온선인 것을 확인할 수 있다.
실시예 2-1. Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 프로판 흡착
실시예 1에서 제조한 제올라이트 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973의 프로판 기체에 대한 흡착량 평가를 위하여, 상기 실시예 2와 같은 방법으로 25 oC에서, 프로판 기체의 압력을 연속적으로 변화시켜가며 제올라이트 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973의 프로판 흡착량을 측정하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었으며, 25 oC유지 시, Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 각각, 0.1 bar에서 0.3, 0.1 mmol g-1의 프로판 흡착량, 0.5 bar에서 0.7,, 0.4 mmol g-1의 프로판 흡착량, 1.0 bar에서 1.1, 0.8 mmol g-1의 프프로판 흡착량을 보이는 것으로 확인되었다.
도 5와 표 5는 압력에 따른 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 프로필렌/프로판 선택도를 보여준다.
프로필렌/프로판 선택도 0.1 bar 0.5 bar 1.0 bar
Na-ZK-5-973 4.8 2.6 2.0
Cs-ZK-5-973 11 3.8 2.2
실시예 3. Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 프로필렌 흡착속도 측정
실시예 1에서 제조한 제올라이트 100 mg을 상기 실시예 2와 같은 방법으로 설치를 하였고, 장비의 레저버(Reservoir) 압력을 25 oC에서 각각 1.2 bar 와 0.1 bar로 설정하여 시료가 프로필렌의 평행압력까지 소요되는 시간을 측정하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었으며, 두 압력에서 모두 5분 내에 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트가 프로필렌 흡착하여 포화상태가 되면서 평형 압력을 유지하는 것으로 확인되었다.
실시예 3-1. Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 프로판 흡착속도 측정
실시예 1에서 제조한 제올라이트 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973의 프로판 기체에 대한 흡착속도를 평가하기 위하여, 상기 실시예 3과 같은 방법으로 프로판의 평행압력 까지 소요되는 시간을 측정하였다. 그 결과를 도 7에 나타내었다. 약 30분이 지난 뒤에도 프로판은 여전히 포화 흡착량에 도달하지 않았으며 흡착량도 약 0.3 mmol g-1 이하로 매우 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 이는 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트가 프로필렌에 대해서만 매우 빠른 흡착속도와 높은 선택도를 보이는 것을 입증할 수 있으며. Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트가 프로필렌/프로판의 분리 및 회수 공정에서 분리제 혹은 흡착제로서의 활용가치가 높을 것임을 시사하고 있다.
실시예 4. Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 정적 조건에서의 프로필렌/프로판 재생능 실험
실시예 1에서 제조한 제올라이트 100 mg을 상기 실시예 2과 같은 방법으로 설치를 하였고, 정적 조건에서 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973의 프로필렌/프로판의 재생 실험을 하기 위해서, 먼저 1.2 bar의 레저버 압력으로 프로필렌을 20분동안 흡착시킨 뒤 진공 펌프로 상온에서 20분 동안 10-3 Torr에서 진공을 잡으면서 흡착제를 재생 시켰다. 이러한 과정을 10번 반복했으며, 반복이 끝난 뒤 바로 프로판 가스로 전환하여 똑같은 과정을 반복 하였다. 이를 도 8에 나타내었으며, 10번의 프로필렌에 대한 흡/탈착을 반복했을 경우에도 프로필렌의 흡착량은 감소하지 않았으며 여전히 우수한 프로필렌 흡착량 (Na-ZK-5-973: 1.8 mmol g-1 및 Cs-ZK-5-973: 1.9 mmol g-1)을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 프로판으로 다시 재생 시켰을 경우 프로판도 흡착량에 대한 감소는 보이지 않았지만 상대적으로 낮은 (Na-ZK-5-973: 0.8 mmol g-1 및 Cs-ZK-5-973: 0.6 mmol g-1)의 흡착량만을 보이는 것으로 확인 되었다. 이는 제올라이트 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973이 프로필렌 및 프로판을 반복 재생하여도 여전히 높은 프로필렌의 흡착량 및 선택도를 보이는 것을 입증 하고 있으며, Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트가 프로필렌/프로판의 분리 및 회수 공정에서 분리제 혹은 흡착제로서의 활용가치가 높을 것임을 시사하고 있다.
비교 예. 상용제올라이트 Na-A 및 Ca-A 제올라이트의 정적 조건에서의 프로필렌/프로판 재생능 실험
실시예 4와 같은 방법으로 상용제올라이트 Na-A와 Ca-A의 프로필렌/프로판 재생능 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에서 도시된 바와 같이, 기존 상용 제올라이트인 Na-A와 Ca-A는 프로필렌을 반복적으로 재생시켰을 경우 상대적으로 강한 산성으로 인해 프로필렌의 흡착량이 점차 감소하는 것을 확인 할 수 있다.
실시예 5. Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 150 oC 재생조건의 프로필렌/프로판 동적 파과곡선 실험
실시예 1에서 제조한 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5973 제올라이트 500 mg을 약 ~ 180 um 크기로 성형을 한 뒤, 0.64 cm 내경의 고정층 마이크로 반응기에 채웠다. 분당 50 cc의 알곤 기체를 흘려주면서 반응기의 온도를 분당 2 oC로 250 oC까지 승온하여 250 oC에서 3시간 동안 유지하여 시료를 완전히 탈수시켰다. 그 물질을 알곤 기류하에 의해 상온으로 냉각시켰다. 이어서, 프로필렌/프로판/알곤의 혼합가스를 상기 반응기에 25:25:50 v/v/v의 비율로 분당 20 cc로 흘려주었으며, 반응기를 통과한 가스의 양은 Pfeiffer Prisma QMS 200 질량분석 시스템을 사용하여 분석하였다. 동적상태에서의 Na-ZK-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 재생능 실험을 하기 위해 150 oC에서 30분 동안 50 cc의 알곤 기체를 흘려주었으며, 이를 7번 반복하였다. 그 결과를 도 10에 나타내었다. 반응기를 통과한 프로필렌과 프로판 혼합기체는 ZK-5 제올라이트에 동시에 흡착되어, 약 10초 가량 두 기체 모두 질량분석 시스템에서 검출이 되지 않으나, 그 이후 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트가 프로판을 더 이상 흡착하지 않고 프로필렌만 선택적으로 흡착하면서 질량분석 시스템에서는 오직 프로판만 검출이 되었다. 그 후, 약 100초 (Na-ZK-5-973) 및 92초 (Cs-ZK-5-973) 동안 프로필렌의 선택적 흡착이 이루어졌으며, 제올라이트 내에 프로필렌의 흡착이 끝난 시점(포화상태)부터 프로필렌도 프로판과 함께 질량분석 시스템에서 검출이 되었다. 뿐만 아니라 7번의 이런과정을 반복한 후에도 프로필렌에 대한 선택적 분리능은 떨어지지 않은 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과는 프로필렌/프로판의 혼합기체에서 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 프로필렌 기체에 대한 선택적 흡착 및 분리능을 잘 보여주고 있으며, 프로필렌/프로판 분리 및 회수 공정에서 매우 유용한 분리제 혹은 흡착제로서 용도를 제공할 수 있다.
실시예 5-1. Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 상온 재생조건의 프로필렌/프로판 동적 파과곡선 실험
실시예 5와 같은 방법으로 Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 제올라이트의 프로필렌/프로판 파과곡선 실험을 수행하였으며, Na-ZK-5-973 및 Cs-ZK-5-973 흡착제의 재생을 위하여 상온에서 30분 동안 50 cc의 알곤 기체를 흘려주었다. 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11에서 도시된 바와 같이, 오직 18% (Na-ZK-5-973) 및 10% (Cs-ZK-5-973) 정도만의 프로필렌의 흡착량이 줄어들었으며 2번째 반복 수행 뒤에는 프로필렌 흡착량이 유지 되는 것을 확인 할 수 있다. 이는 프로필렌의 올리고머화를 억제하여 적은 에너지비용 만으로도 흡착제를 재생시킬 수 있다는 것을 암시 하며 이는 프로필렌/프로판 분리 및 회수 공정에서 매우 유용한 고효율 분리제로서의 용도를 제공 할 수 있다.

Claims (10)

  1. (Si/Al)T 비율이 10 이상인 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트를 이용하여 프로필렌을 분리하는 방법.
  2. 제1항에 잇어서,
    상기 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트는 1가 또는 2가 금속 양이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속이온을 포함하는 KFI 제올라이트는 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 방법.
    0.1~10 MxO:1.0 Al2O3:5~100 SiO2 (1)
    여기서 M은 1가 알칼리 금속 양이온 및 2가 알칼리 토금속 양이온으로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 무기 양이온이며, X는 1 또는 2.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 KFI 제올라이트는 탈수 및/또는 소성된 제올라이트인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    프로필렌과 프로판을 포함하는 기류를 (Si/Al)T 비율이 10 이상인 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트와 접촉시켜 프로필렌을 선택적으로 흡착하는 단계와,
    프로필렌을 흡착한 제올라이트에서 프로필렌을 분리하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 프로필렌의 탈착은 상온 및/또는 상압에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. (Si/Al)T 비율이 10 이상인 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로필렌 흡착제.
  8. (Si/Al)T 비율이 10 이상인 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (Si/Al)T 비율이 10 이상인 제올라이트는 상온 및 1 bar에서 2~3 mmol/g의 프로필렌을 흡착하는 것을 특징으로 하는 KFI 알루미노실리케이트 제올라이트.
  10. 하기 화학식 (2)의 조성물을 제공하는 단계
    1.0 18-crown-6 : 1.0-5.0 K2O : 0.05-1.0 Sr(NO3)2 : 1.0 Al2O3: 5.0-20 SiO2 : 100-1000 H2O (2)
    상기 화학식(2)의 조성물을 가열하는 단계; 및
    상기 조성물에서 합성된 제올라이트를 (Si/Al)T의 몰비가 10 이상이 되도록 스팀처리하는 단계
    를 포함하는 KFI형 알루미노실리케이트 제올라이트 제조 방법.
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