KR20240076928A - Preparation method for zeolite having both micropores and mesopores - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세기공 및 메조기공을 동시에 갖는 제올라이트의 제조방법에 관한 것으로, 종래 방법 대비 메조기공 형성율이 현저히 향상되는 효과가 있다.The present invention relates to a method for producing zeolite having both micropores and mesopores, and has the effect of significantly improving the mesopore formation rate compared to the conventional method.
Description
본 발명은 미세기공 및 메조기공을 동시에 갖는 제올라이트의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing zeolite having both micropores and mesopores.
제올라이트는 다양한 골격 구조를 가지고 규소 원자와 알루미늄 원자가 서로 4면체구조로 결합된 골격을 가지는 미세 다공성 결정질 알루미노실리케이트이다. 제올라이트는 높은 기공성, 높은 비표면적, 낮은 비용으로 인해 다양한 분야에서 사용된다.Zeolite is a microporous crystalline aluminosilicate with a variety of skeletal structures in which silicon and aluminum atoms are bonded to each other in a tetrahedral structure. Zeolites are used in a variety of fields due to their high porosity, high specific surface area, and low cost.
제올라이트의 주요 용도는 석유화학 공정의 불균일 촉매, 이온교환제, 흡착제로서 사용된다. 특히 석유화학 공정에서 주로 사용되는데. 제올라이트의 양이온을 양성자로 교환하여 얻은 제올라이트는 98 % 황산의 산성도와 유사한 강한 산성을 가지는 고체산으로서 원유에 포함된 중질유를 분해하여 경질유를 얻는 반응 및 다양한 촉매 반응에 사용된다.The main uses of zeolites are as heterogeneous catalysts, ion exchangers, and adsorbents in petrochemical processes. In particular, it is mainly used in petrochemical processes. Zeolite, obtained by exchanging the cations of zeolite with protons, is a solid acid with a strong acidity similar to that of 98% sulfuric acid, and is used in reactions to obtain light oil by decomposing heavy oil contained in crude oil and in various catalytic reactions.
제올라이트의 고유한 특징 중 하나로는 규칙적이고 균일한 크기의 미세기공을 가지고 있는 것으로서, 미세기공보다 작은 크기의 분자들만 선택적으로 기공내부로 들어가 반응하고 미세기공보다 작은 크기의 분자들만 생성물로 얻을 수 있어 크기선택적 촉매반응을 일으킬 수 있다. 그러나 유동접촉분해 반응 같이 큰 분자를 작은 분자로 분해하는 반응의 경우 반응물의 크기가 제올라이트의 미세기공의 크기보다 크거나 같을 경우 강한 확산 제한에 의해 제올라이트의 활성부위를 충분히 활용할 수 없어, 제올라이트 촉매를 덜 효과적으로 사용하게 한다.One of the unique characteristics of zeolite is that it has micropores of regular and uniform size. Only molecules smaller than the micropores selectively enter the pores and react, and only molecules smaller than the micropores can be obtained as products. It can cause size-selective catalytic reactions. However, in the case of a reaction that decomposes large molecules into small molecules, such as a fluid catalytic decomposition reaction, if the size of the reactant is larger than or equal to the size of the micropores of the zeolite, the active site of the zeolite cannot be fully utilized due to strong diffusion limitations, so a zeolite catalyst is used. Makes it less effective.
제올라이트의 미세기공크기보다 큰 분자에 대한 촉매 반응, 흡착 및 분리를 위해 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 제올라이트 제조에 관한 연구가 진행되고 있다. 미세기공을 가지는 제올라이트에 메조기공을 도입하는 방법으로 상향식 접근(Bottom up)과 하향식 접근(Top down) 방식이 사용되고 있다. 상향식 접근의 경우 제올라이트 합성과정 중에 메조기공 형성을 유도하게는 되는 계면활성제나, 주형을 사용하는데, 비싼 메조기공 형성물질 사용, 제올라이트 합성조건 변화 등 때문에 대량생산에 불리하다. 반면 하향식 접근은 제올라이트에 산, 염기를 이용한 화학적 처리를 통해 메조기공을 형성하기 때문에 대량생산에 유리한 장점이 있다.Research is being conducted on the production of zeolite that has both micropores and mesopores for catalytic reaction, adsorption, and separation of molecules larger than the micropore size of zeolite. Bottom up and top down approaches are used to introduce mesopores into zeolite with micropores. In the case of the bottom-up approach, surfactants or templates that induce mesopore formation during the zeolite synthesis process are used, but it is disadvantageous for mass production due to the use of expensive mesopore-forming materials and changes in zeolite synthesis conditions. On the other hand, the top-down approach has the advantage of mass production because it forms mesopores through chemical treatment using acids and bases in zeolite.
Y 제올라이트는 훠자사이트(Faujasite, FAU) 그룹의 제올라이트에 속하는 미세 다공성 결정질 알루미노실리케이트이며, 정유 및 석유화학 공정에서 촉매 물질로서 널리 사용되고 있다. Y 제올라이트는 12 개의 실리콘 및 알루미늄 원자로 이루어진 꼭지점을 가지는 원형 미세 세공을 가지고 있으며, 미세세공의 크기는 약 7.4 Å으로 각 꼭지점 사이에는 산소 원자가 결합하는 구조를 가지고 있다.Y zeolite is a microporous crystalline aluminosilicate belonging to the Faujasite (FAU) group of zeolites, and is widely used as a catalyst material in oil refining and petrochemical processes. Y zeolite has circular micropores with vertices made of 12 silicon and aluminum atoms. The size of the micropores is about 7.4 Å, and it has a structure in which oxygen atoms are bonded between each vertex.
미세기공은 2 nm 미만의 직경, 메조기공은 2 내지 20 nm 의 직경을 가지는 것으로 당업계에 알려져 있다.It is known in the art that micropores have a diameter of less than 2 nm, and mesopores have a diameter of 2 to 20 nm.
규칙적인 미세기공을 가지는 제올라이트는 높은 표면적, 강한 산점, 우수한 열 안정성 때문에 많은 촉매전환 공정에서 사용되지만, 매우 작은 기공 크기 때문에 제올라이트 내부에서의 효과적인 물질전달이 제한되는 문제가 있다.Zeolites with regular micropores are used in many catalytic conversion processes because of their high surface area, strong acid sites, and excellent thermal stability, but effective mass transfer within the zeolites is limited due to their very small pore sizes.
이에, 미세기공과 함께 메조기공이 동시에 형성된 제올라이트 개발이 필요하다.Therefore, there is a need to develop zeolite in which both micropores and mesopores are formed simultaneously.
본 발명의 목적은 미세기공(micropore) 및 메조기공(mesopore)을 동시에 갖는 제올라이트의 제조방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a method for producing zeolite having both micropores and mesopores.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 미세기공(micropore) 및 메조기공(mesopore)을 동시에 갖는 제올라이트를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a zeolite having both micropores and mesopores prepared by the above production method.
본 발명의 또 다른 목적은 제올라이트를 포함하는 불균일 촉매, 이온교환제 및 흡착제를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a heterogeneous catalyst, ion exchanger, and adsorbent containing zeolite.
상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above purpose,
본 발명은 제올라이트를 산(acid) 처리하여 탈 알루미늄하는 단계(단계 1);The present invention includes the steps of dealuminizing zeolite by treating it with acid (step 1);
염기(base) 처리하여 탈 규소하는 단계(단계 2);Desiliconization by base treatment (step 2);
염화암모늄 수용액과 혼합하고 이온교환 처리하여, NH4 +-제올라이트를 제조하는 단계(단계 3); 및Mixing with an aqueous ammonium chloride solution and subjecting it to ion exchange to prepare NH 4 + -zeolite (step 3); and
소성처리하여 H+-제올라이트를 제조하는 단계(단계 4);를 포함하는,Including a step of producing H + -zeolite by calcining (step 4);
미세기공(micropore) 및 메조기공(mesopore)을 동시에 갖는 제올라이트의 제조방법을 제공한다.A method for producing zeolite having both micropores and mesopores is provided.
상기 단계 1에서 처리한 제올라이트는 증류수 또는 유기용매로 세척한 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.The zeolite treated in step 1 may further include washing with distilled water or an organic solvent and then drying.
상기 단계 2에서 처리한 제올라이트는 증류수 또는 유기용매로 세척한 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.The zeolite treated in step 2 may further include washing with distilled water or an organic solvent and then drying.
상기 단계 3에서 처리한 제올라이트는 증류수 또는 유기용매로 세척한 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.The zeolite treated in step 3 may further include washing with distilled water or an organic solvent and then drying.
상기 단계 4에서 처리한 제올라이트는 증류수 또는 유기용매로 세척한 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.The zeolite treated in step 4 may further include washing with distilled water or an organic solvent and then drying.
상기 제올라이트는 다양한 제올라이트 타입에 모두 적용가능하나, 바람직하게는 Y 제올라이트, beta 제올라이트, ZSM-5 등에 적용가능하고, 본 발명에서는 일례로 Y 제올라이트를 사용하였다.The zeolite can be applied to various zeolite types, but is preferably applicable to Y zeolite, beta zeolite, ZSM-5, etc., and in the present invention, Y zeolite was used as an example.
상기 Y 제올라이트는 실리카와 알루미나의 비율(SiO2/Al2O3)이 1-10인 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.The Y zeolite may have a silica to alumina ratio (SiO 2 /Al 2 O 3 ) of 1-10, but is not limited thereto.
상기 단계 1의 산(acid)은 아세트산, 옥살산, 개미산, 에틸렌다이아민테트라아세트산 등의 유기산, 그리고 염산, 질산 등의 무기산을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The acid in step 1 can be organic acids such as acetic acid, oxalic acid, formic acid, and ethylenediaminetetraacetic acid, and inorganic acids such as hydrochloric acid and nitric acid, either alone or in a mixture of two or more.
상기 단계 1의 산(acid) 처리는, The acid treatment in step 1 is,
제올라이트 10g 기준 산(acid) 용액 100-400 ml를 사용하고,Using 100-400 ml of acid solution based on 10g of zeolite,
상기 산(acid) 용액의 농도는 0.05-1 M이고,The concentration of the acid solution is 0.05-1 M,
80-120℃에서 2-24시간 동안 진행할 수 있다.It can be carried out at 80-120℃ for 2-24 hours.
바람직하게,Preferably,
상기 단계 1의 산(acid) 처리는, The acid treatment in step 1 is,
제올라이트 10g 기준 산(acid) 용액 140-160 ml를 사용하고,Using 140-160 ml of acid solution based on 10g of zeolite,
상기 산(acid) 용액의 농도는 0.09-0.13 M이고,The concentration of the acid solution is 0.09-0.13 M,
95-105℃에서 5-7시간 동안 진행할 수 있다.It can be carried out at 95-105℃ for 5-7 hours.
상기 단계 2의 염기(base)는 수산화나트륨, 수산화칼륨 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The base in step 2 may be sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc., used alone or in a mixture of two or more types.
상기 단계 2의 염기(base) 처리는,The base treatment in step 2 is,
제올라이트 10g 기준 염기(base) 용액 100-500 ml를 사용하고,Using 100-500 ml of base solution based on 10 g of zeolite,
상기 염기(base) 용액의 농도는 0.05-0.5 M이고,The concentration of the base solution is 0.05-0.5 M,
50-80℃에서 10-600분 동안 진행할 수 있다.It can be carried out at 50-80℃ for 10-600 minutes.
바람직하게,Preferably,
상기 단계 2의 염기(base) 처리는,The base treatment in step 2 is,
제올라이트 10g 기준 염기(base) 용액 290-310 ml를 사용하고,Using 290-310 ml of base solution based on 10 g of zeolite,
상기 염기(base) 용액의 농도는 0.18-0.22 M이고,The concentration of the base solution is 0.18-0.22 M,
60-70℃에서 20-40분 동안 진행할 수 있다.It can be carried out at 60-70℃ for 20-40 minutes.
상기 단계 3의 이온교환 처리는,The ion exchange treatment in step 3 is,
제올라이트 10 중량부 기준 염화암모늄 수용액 80-120 중량부를 사용하고,Using 80-120 parts by weight of ammonium chloride aqueous solution based on 10 parts by weight of zeolite,
상기 염화암모늄 수용액의 농도는 0.5-1.5M이고,The concentration of the ammonium chloride aqueous solution is 0.5-1.5M,
70-110℃에서 1-24시간 동안 진행할 수 있다.It can be carried out at 70-110℃ for 1-24 hours.
바람직하게,Preferably,
상기 단계 3의 이온교환 처리는,The ion exchange treatment in step 3 is,
제올라이트 10 중량부 기준 염화암모늄 수용액 90-110 중량부를 사용하고,Using 90-110 parts by weight of ammonium chloride aqueous solution based on 10 parts by weight of zeolite,
상기 염화암모늄 수용액의 농도는 0.9-1.1M이고,The concentration of the ammonium chloride aqueous solution is 0.9-1.1M,
85-95℃에서 2-4시간 동안 진행할 수 있다.It can be carried out at 85-95℃ for 2-4 hours.
상기 단계 4의 소성 처리는,The baking treatment of step 4 is,
상기 단계 3에서 얻은 제올라이트를 건조한 후,After drying the zeolite obtained in step 3,
500-600℃에서 2-4시간 동안 소성할 수 있다.It can be fired at 500-600℃ for 2-4 hours.
바람직하게,Preferably,
상기 단계 4의 소성 처리는,The baking treatment of step 4 is,
상기 단계 3에서 얻은 제올라이트를 건조한 후,After drying the zeolite obtained in step 3,
530-570℃에서 2.5-3.5시간 동안 소성할 수 있다.It can be fired at 530-570℃ for 2.5-3.5 hours.
또한, 본 발명은 제조방법으로 제조된 미세기공(micropore) 및 메조기공(mesopore)을 동시에 갖는 제올라이트를 제공한다.In addition, the present invention provides a zeolite having both micropores and mesopores prepared by a manufacturing method.
나아가, 본 발명은 상기 제올라이트를 포함하는 불균일 촉매, 이온교환제 및 흡착제를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a heterogeneous catalyst, ion exchanger, and adsorbent including the zeolite.
본 발명에 따른 미세기공(micropore) 및 메조기공(mesopore)을 동시에 갖는 제올라이트 제조방법은 종래 방법 대비 메조기공 형성율이 현저히 향상되는 효과가 있다.The method for producing zeolite having both micropores and mesopores according to the present invention has the effect of significantly improving the mesopore formation rate compared to the conventional method.
도 1은 본 발명에서 제조된 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 질소 흡탈착 등온선 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에서 제조된 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 기공 크기 분포 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에서 제조된 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 X선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 3에서 제조된 Y 제올라이트의 메조기공 형성 원리를 나타낸 개념도이다.Figure 1 is a diagram showing the nitrogen adsorption/desorption isotherm results of Y zeolite having both micropores and mesopores prepared in the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the pore size distribution results of Y zeolite having both micropores and mesopores prepared in the present invention.
Figure 3 is a diagram showing the X-ray diffraction pattern of Y zeolite having both micropores and mesopores prepared in the present invention.
Figure 4 is a conceptual diagram showing the mesopore formation principle of Y zeolite prepared in Example 3.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through the following examples. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1> 탈 알루미늄, 이온교환 및 소성 과정을 통한 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 제조 (HY-AT)<Example 1> Production of Y zeolite having both micropores and mesopores through dealuminization, ion exchange, and sintering processes (HY-AT)
Y 제올라이트는 ㈜코스모촉매에서 제공된 Na+-Y 제올라이트를 사용하였으며 실리카와 알루미나의 비율(SiO2/Al2O3)은 5이다.Y zeolite was Na + -Y zeolite provided by Cosmo Catalyst Co., Ltd., and the ratio of silica and alumina (SiO 2 /Al 2 O 3 ) was 5.
단계 1: 탈 알루미늄 처리 (산 처리)Step 1: Dealuminization (acid treatment)
Y 제올라이트 10 g에 0.11 M 의 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) 수용액 150 ml 을 혼합하여 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액을 100 ℃에서 6 시간 동안 교반 하였다. 6 시간 후, Y 제올라이트는 원심 분리기를 통해 회수되었고, 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 후 건조되었다. A suspension was prepared by mixing 10 g of Y zeolite with 150 ml of a 0.11 M aqueous solution of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). The prepared suspension was stirred at 100 °C for 6 hours. After 6 hours, Y zeolite was recovered through a centrifuge, and the recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 2: 이온교환 처리Step 2: Ion exchange treatment
이후 상기 산 처리과정을 거친 Y 제올라이트 10 g을 100 g의 1 M 염화암모늄(ammonium chloride) 수용액에 분산시켜 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액은 90 ℃에서 3시간 교반 되었고, NH4 +-Y 제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 원심 분리기를 통해 회수하였다. 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 뒤 건조되었다. Afterwards, 10 g of Y zeolite that had undergone the acid treatment process was dispersed in 100 g of 1 M aqueous ammonium chloride solution to prepare a suspension. The prepared suspension was stirred at 90°C for 3 hours, and Y zeolite in the form of NH 4 + -Y zeolite was recovered through a centrifuge. The recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 3: 소성 처리Step 3: Firing treatment
건조된 Y 제올라이트는 550 ℃에서 3시간 동안 소성하여 H+-제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 제조하였다.The dried Y zeolite was calcined at 550°C for 3 hours to prepare Y zeolite in the form of H + -zeolite.
<실시예 2> 탈 규소, 이온교환 및 소성 과정을 통한 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 제조 (HY-BT)<Example 2> Preparation of Y zeolite having both micropores and mesopores through desiliconization, ion exchange, and sintering processes (HY-BT)
Y 제올라이트는 ㈜코스모촉매에서 제공된 Na+-Y 제올라이트를 사용하였으며 실리카와 알루미나의 비율(SiO2/Al2O3)은 5이다.Y zeolite was Na + -Y zeolite provided by Cosmo Catalyst Co., Ltd., and the ratio of silica and alumina (SiO 2 /Al 2 O 3 ) was 5.
단계 1: 탈 규소 처리 (염기 처리)Step 1: Desiliconization (base treatment)
0.2 M의 수산화나트륨(sodium hydroxide) 수용액 300 ml에 Y 제올라이트 10 g을 혼합하여 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액은 65 ℃에서 30 분간 교반 되었다. 30 분 후 Y 제올라이트는 원심 분리기를 통해 회수되었고, 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 후 건조되었다. A suspension was prepared by mixing 10 g of Y zeolite with 300 ml of a 0.2 M sodium hydroxide aqueous solution. The prepared suspension was stirred at 65°C for 30 minutes. After 30 minutes, Y zeolite was recovered through a centrifuge, and the recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 2: 이온교환 처리Step 2: Ion exchange treatment
이후, 상기 염기 처리 과정을 거친 Y 제올라이트 10 g을 100 g의 1 M 염화암모늄(ammonium chloride) 수용액에 분산시켜 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액은 90 ℃에서 3시간 교반 되었고, NH4 +-Y 제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 원심 분리기를 통해 회수하였다. 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 뒤 건조되었다. Afterwards, 10 g of Y zeolite that had undergone the base treatment process was dispersed in 100 g of 1 M aqueous ammonium chloride solution to prepare a suspension. The prepared suspension was stirred at 90°C for 3 hours, and Y zeolite in the form of NH 4 + -Y zeolite was recovered through a centrifuge. The recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 3: 소성 처리Step 3: Firing treatment
건조된 Y 제올라이트는 550 ℃에서 3시간동안 소성하여 H+-제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 제조하였다.The dried Y zeolite was calcined at 550°C for 3 hours to prepare Y zeolite in the form of H + -zeolite.
<실시예 3> 순차적인 탈 알루미늄, 탈 규소, 이온교환 및 소성 과정을 통한 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 제조 (HY-AT-BT)<Example 3> Preparation of Y zeolite having both micropores and mesopores through sequential dealuminium, desiliconization, ion exchange, and calcination processes (HY-AT-BT)
Y 제올라이트는 ㈜코스모촉매에서 제공된 Na+-Y 제올라이트를 사용하였으며 실리카와 알루미나의 비율(SiO2/Al2O3)은 5이다.Y zeolite was Na + -Y zeolite provided by Cosmo Catalyst Co., Ltd., and the ratio of silica and alumina (SiO 2 /Al 2 O 3 ) was 5.
단계 1: 탈 알루미늄 처리 (산 처리)Step 1: Dealuminization (acid treatment)
Y 제올라이트 10 g에 0.11 M의 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) 수용액 150 ml을 혼합하여 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액을 100 ℃에서 6 시간 동안 교반 하였다. 6 시간 후, Y 제올라이트는 원심 분리기를 통해 회수되었고, 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 후 건조되었다. A suspension was prepared by mixing 10 g of Y zeolite with 150 ml of a 0.11 M aqueous solution of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). The prepared suspension was stirred at 100 °C for 6 hours. After 6 hours, Y zeolite was recovered through a centrifuge, and the recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 2: 탈 규소 처리 (염기 처리)Step 2: Desiliconization (base treatment)
이후, 0.2 M의 수산화나트륨(sodium hydroxide) 수용액 300 ml에 상기 산 처리 과정을 거친 Y 제올라이트 10 g을 혼합하여 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액은 65 ℃에서 30 분간 교반 되었다. 30 분 후 Y 제올라이트는 원심 분리기를 통해 회수되었고, 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 후 건조되었다. Afterwards, a suspension was prepared by mixing 10 g of Y zeolite that had undergone the acid treatment process with 300 ml of a 0.2 M sodium hydroxide aqueous solution. The prepared suspension was stirred at 65°C for 30 minutes. After 30 minutes, Y zeolite was recovered through a centrifuge, and the recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 3: 이온교환 처리Step 3: Ion exchange treatment
이후, 상기 산 처리, 염기 처리 과정을 거친 Y 제올라이트 10 g을 100 g의 1 M 염화암모늄(ammonium chloride) 수용액에 분산시켜 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액은 90 ℃에서 3시간 교반 되었고, NH4 +-Y 제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 원심 분리기를 통해 회수하였다. 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 뒤 건조되었다. Thereafter, 10 g of Y zeolite that had undergone the acid treatment and base treatment was dispersed in 100 g of 1 M aqueous ammonium chloride solution to prepare a suspension. The prepared suspension was stirred at 90°C for 3 hours, and Y zeolite in the form of NH 4 + -Y zeolite was recovered through a centrifuge. The recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 4: 소성 처리Step 4: Firing treatment
건조된 Y 제올라이트는 550 ℃에서 3시간동안 소성하여 H+-제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 제조하였다. The dried Y zeolite was calcined at 550°C for 3 hours to prepare Y zeolite in the form of H + -zeolite.
<실시예 4> 순차적인 탈 규소, 탈 알루미늄, 이온교환 및 소성 과정을 통한 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 제조 (HY-BT-AT)<Example 4> Preparation of Y zeolite having both micropores and mesopores through sequential desiliconization, dealuminium, ion exchange, and calcination processes (HY-BT-AT)
Y 제올라이트는 ㈜코스모촉매에서 제공된 Na+-Y 제올라이트를 사용하였으며 실리카와 알루미나의 비율(SiO2/Al2O3)은 5이다.Y zeolite was Na + -Y zeolite provided by Cosmo Catalyst Co., Ltd., and the ratio of silica and alumina (SiO 2 /Al 2 O 3 ) was 5.
단계 1: 탈 규소 처리 (염기 처리)Step 1: Desiliconization (base treatment)
0.2 M의 수산화나트륨(sodium hydroxide) 수용액 300 ml에 Y 제올라이트 10 g을 혼합하여 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액은 65 ℃에서 30 분간 교반 되었다. 30 분 후 Y 제올라이트는 원심 분리기를 통해 회수되었고, 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 후 건조되었다.A suspension was prepared by mixing 10 g of Y zeolite with 300 ml of a 0.2 M sodium hydroxide aqueous solution. The prepared suspension was stirred at 65°C for 30 minutes. After 30 minutes, Y zeolite was recovered through a centrifuge, and the recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 2: 탈 알루미늄 처리 (산 처리)Step 2: Dealuminization (acid treatment)
이후, 상기 염기 처리 과정을 거친 Y 제올라이트 10 g에 0.11 M의 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) 수용액 150 ml 을 혼합하여 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액을 100 ℃에서 6 시간 동안 교반 하였다. 6 시간 후, Y 제올라이트는 원심 분리기를 통해 회수되었고, 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 후 건조되었다. Thereafter, a suspension was prepared by mixing 150 ml of 0.11 M aqueous solution of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) with 10 g of Y zeolite that had undergone the base treatment process. The prepared suspension was stirred at 100 °C for 6 hours. After 6 hours, Y zeolite was recovered through a centrifuge, and the recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 3: 이온교환 처리Step 3: Ion exchange treatment
이후, 상기 염기 처리, 산 처리 과정을 거친 Y 제올라이트 10 g을 100 g의 1 M 염화암모늄(ammonium chloride) 수용액에 분산시켜 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액은 90 ℃에서 3시간 교반 되었고, NH4 +-Y 제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 원심 분리기를 통해 회수하였다. 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 뒤 건조되었다. Thereafter, 10 g of Y zeolite that had undergone the base and acid treatment processes was dispersed in 100 g of 1 M aqueous ammonium chloride solution to prepare a suspension. The prepared suspension was stirred at 90°C for 3 hours, and Y zeolite in the form of NH 4 + -Y zeolite was recovered through a centrifuge. The recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 4: 소성 처리Step 4: Firing treatment
건조된 Y 제올라이트는 550 ℃에서 3시간동안 소성하여 H+-제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 제조하였다. The dried Y zeolite was calcined at 550°C for 3 hours to prepare Y zeolite in the form of H + -zeolite.
<비교예 1> 메조기공을 가지지 않는 H<Comparative Example 1> H without mesopores ++ -제올라이트 형태의 Y 제올라이트의 제조 (HY)-Preparation of Y zeolite in zeolite form (HY)
Y 제올라이트는 ㈜코스모촉매에서 제공된 Na+-Y 제올라이트를 사용하였으며 실리카와 알루미나의 비율(SiO2/Al2O3)은 5이다. Y zeolite was Na + -Y zeolite provided by Cosmo Catalyst Co., Ltd., and the ratio of silica and alumina (SiO 2 /Al 2 O 3 ) was 5.
단계 1: 이온교환 처리Step 1: Ion exchange treatment
Y 제올라이트 10 g을 100 g의 1 M 염화암모늄(ammonium chloride) 수용액에 분산시켜 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액은 90 ℃에서 3시간 교반 되었고, NH4 +-Y 제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 원심 분리기를 통해 회수하였다. 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 뒤 건조되었다. A suspension was prepared by dispersing 10 g of Y zeolite in 100 g of 1 M aqueous ammonium chloride solution. The prepared suspension was stirred at 90°C for 3 hours, and Y zeolite in the form of NH 4 + -Y zeolite was recovered through a centrifuge. The recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 2: 소성 처리Step 2: Firing treatment
건조된 Y 제올라이트는 550 ℃에서 3시간동안 소성하여 H+-제올라이트 형태의 Y 제올라이트를 제조하였다.The dried Y zeolite was calcined at 550°C for 3 hours to prepare Y zeolite in the form of H + -zeolite.
<비교예 2> 순차적인 탈 알루미늄 및 탈 규소 과정을 통한 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 제조<Comparative Example 2> Production of Y zeolite having both micropores and mesopores through sequential dealuminium and desiliconization processes
Y 제올라이트는 ㈜코스모촉매에서 제공된 Na+-Y 제올라이트를 사용하였으며 실리카와 알루미나의 비율(SiO2/Al2O3)은 5이다. Y zeolite was Na + -Y zeolite provided by Cosmo Catalyst Co., Ltd., and the ratio of silica and alumina (SiO 2 /Al 2 O 3 ) was 5.
단계 1: 탈 알루미늄 처리 (산 처리)Step 1: Dealuminization (acid treatment)
Y 제올라이트 10 g에 0.11 M의 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) 수용액 150 ml을 혼합하여 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액을 100 ℃에서 6 시간 동안 교반 하였다. 6 시간 후, Y 제올라이트는 원심 분리기를 통해 회수되었고, 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 후 건조되었다. A suspension was prepared by mixing 10 g of Y zeolite with 150 ml of a 0.11 M aqueous solution of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). The prepared suspension was stirred at 100 °C for 6 hours. After 6 hours, Y zeolite was recovered through a centrifuge, and the recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
단계 2: 탈 규소 처리 (염기 처리)Step 2: Desiliconization (base treatment)
이후, 0.2 M의 수산화나트륨(sodium hydroxide) 수용액 300 ml에 상기 산 처리 과정을 거친 Y 제올라이트 10 g을 혼합하여 현탁액을 제조하였다. 제조된 현탁액은 65 ℃에서 30 분간 교반 되었다. 30 분 후 Y 제올라이트는 원심 분리기를 통해 회수되었고, 회수된 Y 제올라이트는 증류수로 세척한 후 건조되었다.Afterwards, a suspension was prepared by mixing 10 g of Y zeolite that had undergone the acid treatment process with 300 ml of a 0.2 M sodium hydroxide aqueous solution. The prepared suspension was stirred at 65°C for 30 minutes. After 30 minutes, Y zeolite was recovered through a centrifuge, and the recovered Y zeolite was washed with distilled water and dried.
<실험예 1> 기공 특성 평가<Experimental Example 1> Evaluation of pore characteristics
실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 2에서 제조한 Y 제올라이트의 질소 흡탈착 등온선, 기공 크기 분포 및 X선 회절 패턴을 측정하였고, 그 결과를 도 1 내지 도 3에 나타내었다. 그리고, 미세기공 및 메조기공의 비표면적 및 부피를 측정한 결과를 표 1에 나타내었다.The nitrogen adsorption/desorption isotherm, pore size distribution, and And, the results of measuring the specific surface area and volume of micropores and mesopores are shown in Table 1.
도 1은 본 발명에서 제조된 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 질소 흡탈착 등온선 결과를 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram showing the nitrogen adsorption/desorption isotherm results of Y zeolite having both micropores and mesopores prepared in the present invention.
도 2는 본 발명에서 제조된 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 기공 크기 분포 결과를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing the pore size distribution results of Y zeolite having both micropores and mesopores prepared in the present invention.
도 3은 본 발명에서 제조된 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 X선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.Figure 3 is a diagram showing the X-ray diffraction pattern of Y zeolite having both micropores and mesopores prepared in the present invention.
실시예 1의 경우 비교 예 1에 비해 미세 기공성 및 메조 기공성의 변화가 거의 없으며, 실시예 2의 경우 미세기공의 비표면적, 메조기공의 비표면적이 급격히 감소하였다. 상기 실시예 및 비교예의 기공 특성은 표 1에 나타나 있다.In Example 1, there was almost no change in microporosity and mesoporosity compared to Comparative Example 1, and in Example 2, the specific surface area of micropores and the specific surface area of mesopores decreased sharply. The pore characteristics of the examples and comparative examples are shown in Table 1.
[표 1][Table 1]
실시예 3의 경우 미세기공의 비표면적이 감소하는 대신 메조기공의 비표면적이 크게 증가하였으며, 전형적인 메조기공을 가지는 물질의 Type 4형 흡착 등온선을 나타내고 있다. 도 2에 나타나 있듯이 실시예 3의 경우 약 4 nm의 균일한 메조 기공이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 4 nm ~ 20 nm의 메조기공도 형성되었다.In Example 3, the specific surface area of the micropores decreased, but the specific surface area of the mesopores increased significantly, showing a Type 4 adsorption isotherm of a typical material with mesopores. As shown in Figure 2, in Example 3, it can be seen that uniform mesopores of about 4 nm were formed, and mesopores of 4 nm to 20 nm were also formed.
반면 실시예 4의 경우 실시예 2와 비슷한 기공 특성을 가지는 것으로 관찰되었다.On the other hand, Example 4 was observed to have pore characteristics similar to Example 2.
도 3은 본 발명에서 제조된 미세기공과 메조기공을 동시에 가지는 Y 제올라이트의 X선 회절 패턴을 나타낸 도면이다. Figure 3 is a diagram showing the X-ray diffraction pattern of Y zeolite having both micropores and mesopores prepared in the present invention.
실시예 1의 경우 비교예 1에 비해 회절 패턴의 강도가 급격히 감소하였다. X선 회절 패턴에서 피크가 크고 뚜렷할수록 제올라이트의 결정성이 높다는 것을 나타낸다. 이는 탈 알루미늄 과정을 거쳤을 때 제올라이트 결정성이 감소한다는 것을 나타낸다.In Example 1, the intensity of the diffraction pattern decreased sharply compared to Comparative Example 1. In the X-ray diffraction pattern, the larger and clearer the peak, the higher the crystallinity of the zeolite. This indicates that zeolite crystallinity decreases when going through the dealuminization process.
실시예 2의 경우 X선 회절 패턴의 강도가 비교예 1에 비해 작고 실시예 1에 비해 크게 나타났다. 이는 탈 규소 과정을 거쳤을 때 제올라이트 결정성이 약간 감소하지만, 탈 알루미늄 과정을 거친 제올라이트 보다 높은 결정성을 가지고 있음을 나타낸다.In Example 2, the intensity of the X-ray diffraction pattern was smaller than Comparative Example 1 and larger than Example 1. This indicates that zeolite crystallinity slightly decreases when going through the desiliconization process, but has higher crystallinity than zeolite that went through the dealuminization process.
실시예 3의 경우 실시예 2에 비해 X선 회절 패턴의 강도가 크게 나타났다. 이는 탈 알루미늄 과정 뒤에 진행된 탈 규소 과정이 제올라이트의 결정성을 증대 시켰음을 나타낸다. In Example 3, the intensity of the X-ray diffraction pattern was greater than that of Example 2. This indicates that the desiliconization process followed by the dealuminium process increased the crystallinity of the zeolite.
실시예 4의 경우 실시예 1과 비슷한 강도의 X선 회절 패턴을 나타낸다.Example 4 shows an X-ray diffraction pattern of similar intensity to Example 1.
도 4는 실시예 3에서 제조된 Y 제올라이트의 메조기공 형성 원리를 나타낸 개념도이다.Figure 4 is a conceptual diagram showing the mesopore formation principle of Y zeolite prepared in Example 3.
도 1, 도 2, 도 3에 따르면 탈 알루미늄 과정에서는 제올라이트 골격에서 상대적으로 낮은 비율을 차지하는 알루미늄 부분이 선택적으로 제거됨에 따라 제거된 알루미늄 주위에 비정질 실리카 및 비정질 알루미노실리케이트가 형성되어 제올라이트의 결정성이 감소하는 것으로 나타난다. 또한, 제올라이트 골격으로부터 제거된 알루미늄 종이 기공내부에 잔존하게 되어 미세기공 및 메조기공의 비표면적이 감소하는 것으로 나타난다.According to Figures 1, 2, and 3, in the dealuminization process, the aluminum portion that accounts for a relatively low proportion of the zeolite skeleton is selectively removed, and amorphous silica and amorphous aluminosilicate are formed around the removed aluminum, thereby improving the crystallinity of the zeolite. This appears to be decreasing. In addition, the aluminum species removed from the zeolite framework appears to remain inside the pores, thereby reducing the specific surface area of micropores and mesopores.
탈 규소 과정에서는 제올라이트 골격에서 상대적으로 높은 비율을 차지하는 규소 부분이 선택적으로 제거되기 때문에 탈 알루미늄 과정을 거친 제올라이트보다 높은 결정성을 가지는 것으로 나타난다. 또한 사용된 탈 알루미늄 반응에 비해 염기의 농도가 낮고 탈 규소 과정의 온도가 낮아 제거되는 실리카의 양이 적어 기공특성은 비교 예 1에 비해 크게 변하지 않는 것으로 나타난다.In the desiliconization process, the silicon portion, which accounts for a relatively high proportion of the zeolite skeleton, is selectively removed, so it appears to have higher crystallinity than zeolite that has gone through the dealuminization process. In addition, the concentration of base is low compared to the dealuminization reaction used and the temperature of the desiliconization process is low, so the amount of silica removed is small, so the pore characteristics do not appear to change significantly compared to Comparative Example 1.
반면 탈 알루미늄 과정 후 탈 규소 과정을 진행할 경우 제올라이트 결정내부에 형성된 비정질 실리카 및 비정질 알루미노실리케이트가 제올라이트 골격의 결정질 규소 보다 쉽게 제거되어 균일한 크기의 메조기공을 형성할 수 있게 된다. 또한 탈 알루미늄 과정에서 형성된 비정질 실리카 및 비정질 알루미노실리케이트 부분이 제거되기 때문에 제올라이트의 결정성이 증가하는 것으로 나타난다.On the other hand, when the dealuminization process is followed by the desiliconization process, the amorphous silica and amorphous aluminosilicate formed inside the zeolite crystal are removed more easily than the crystalline silicon of the zeolite skeleton, making it possible to form mesopores of uniform size. Additionally, the crystallinity of the zeolite appears to increase because the amorphous silica and amorphous aluminosilicate portions formed during the dealuminization process are removed.
탈 규소 과정 후 탈 알루미늄 과정을 진행할 경우 최종적으로 회수되는 제올라이트에는 탈 알루미늄 과정에서 형성된 비정질 실리카 및 비정질 알루미노실리케이트가 제올라이트 결정 내부에 잔존하고 있어 낮은 결정성과 낮은 비표면적을 유발하는 것으로 나타난다.When the dealuminization process is performed after the desiliconization process, the amorphous silica and amorphous aluminosilicate formed during the dealuminum process remain inside the zeolite crystals in the zeolite that is finally recovered, causing low crystallinity and low specific surface area.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특히 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been examined focusing on its preferred embodiments. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is set forth in particular in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.
Claims (13)
염기(base) 처리하여 탈 규소하는 단계(단계 2);
염화암모늄 수용액과 혼합하고 이온교환 처리하여, NH4 +-제올라이트를 제조하는 단계(단계 3); 및
소성처리하여 H+-제올라이트를 제조하는 단계(단계 4);를 포함하는,
미세기공(micropore) 및 메조기공(mesopore)을 동시에 갖는 제올라이트의 제조방법.
Dealuminizing zeolite by treating it with acid (step 1);
Desiliconization by base treatment (step 2);
Mixing with an aqueous ammonium chloride solution and subjecting it to ion exchange to prepare NH 4 + -zeolite (step 3); and
Including a step of producing H + -zeolite by calcining (step 4),
Method for producing zeolite having both micropores and mesopores.
상기 제올라이트는 Y 제올라이트, beta 제올라이트 또는 ZSM-5인 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to paragraph 1,
A manufacturing method characterized in that the zeolite is Y zeolite, beta zeolite, or ZSM-5.
상기 Y 제올라이트는 실리카와 알루미나의 비율(SiO2/Al2O3)이 1-10인 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to paragraph 2,
The Y zeolite is a manufacturing method characterized in that the ratio of silica and alumina (SiO 2 /Al 2 O 3 ) is 1-10.
상기 단계 1의 산(acid)은 아세트산, 옥살산, 개미산, 에틸렌다이아민테트라아세트산, 염산 및 질산 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to paragraph 1,
A production method characterized in that the acid in step 1 is at least one of acetic acid, oxalic acid, formic acid, ethylenediaminetetraacetic acid, hydrochloric acid, and nitric acid.
상기 단계 1의 산(acid) 처리는,
제올라이트 10g 기준 산(acid) 용액 100-400 ml를 사용하고,
상기 산(acid) 용액의 농도는 0.05-1 M이고,
80-120℃에서 2-24시간 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to paragraph 1,
The acid treatment in step 1 is,
Using 100-400 ml of acid solution based on 10g of zeolite,
The concentration of the acid solution is 0.05-1 M,
A manufacturing method characterized in that it is carried out at 80-120°C for 2-24 hours.
상기 단계 2의 염기(base)는 수산화나트륨 및 수산화칼륨 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to paragraph 1,
A production method characterized in that the base in step 2 is at least one of sodium hydroxide and potassium hydroxide.
상기 단계 2의 염기(base) 처리는,
제올라이트 10g 기준 염기(base) 용액 100-500 ml를 사용하고,
상기 염기(base) 용액의 농도는 0.05-0.5 M이고,
50-80℃에서 10-600분 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to paragraph 1,
The base treatment in step 2 is,
Using 100-500 ml of base solution based on 10 g of zeolite,
The concentration of the base solution is 0.05-0.5 M,
A manufacturing method characterized in that it is carried out at 50-80°C for 10-600 minutes.
상기 단계 3의 이온교환 처리는,
제올라이트 10 중량부 기준 염화암모늄 수용액 80-120 중량부를 사용하고,
상기 염화암모늄 수용액의 농도는 0.5-1.5M이고,
70-110℃에서 1-24시간 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to paragraph 1,
The ion exchange treatment in step 3 is,
Using 80-120 parts by weight of ammonium chloride aqueous solution based on 10 parts by weight of zeolite,
The concentration of the ammonium chloride aqueous solution is 0.5-1.5M,
A manufacturing method characterized in that it is carried out at 70-110°C for 1-24 hours.
상기 단계 4의 소성 처리는,
상기 단계 3에서 얻은 제올라이트를 건조한 후,
500-600℃에서 2-4시간 동안 소성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
According to paragraph 1,
The baking treatment of step 4 is,
After drying the zeolite obtained in step 3,
A manufacturing method characterized by firing at 500-600°C for 2-4 hours.
Zeolite having both micropores and mesopores manufactured by the manufacturing method of claim 1.
A heterogeneous catalyst comprising the zeolite of claim 10.
An ion exchange agent comprising the zeolite of claim 10.
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