KR960000017B1 - 산소발생기용 흡착제의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

산소발생기용 흡착제의 제조방법

제1도는 산소발생장치도.

제2도는 제1도에서의 흡착탑의 절단면도.

제3도는 종래의 흡착제 제조공정도.

제4도는 본 발명의 흡착제 제조공정도.

제5도는 산소분리성능을 나타낸 그래프.

본 발명은 산소발생 장치에 적용되는 흡착제에 관한 것으로, 특히 고가의 산소분리용 흡착제 대신에 천연 제올라이트(Zeolite)를 사용하여 간단한 공정을 통한 약품 및 활성화 처리하여서 된 저렴한 흡착제로 고효율의 산소를 분리할 수 있는데 적합한 산소발생기용 흡착제의 제조방법에 관한 것이다.

제1도는 압력차 흡착법(PSA법)에 의한 공조용 또는 의료용의 산소발생기 또는 산소발생장치에서의 산소발생과정을 나타낸 구조도이고, 제2도는 제1도에서의 흡착탑내의 공기분리용 흡착제가 충진된 상태를 나타낸 것이다.

이에 도시된 바와 같이, 공기압축기(1)를 거쳐 들어온 압축된 공기는 솔레노이드 밸브(4a)(4b)를 거쳐 건조제(8)와 공기분리용 흡착제인 합성 제올라이트(7)로 충만된 흡착탑(3)(3')에 유입되어 공기중의 질소 및 이산화탄소는 합성 제올라이트(7)에 흡착되어 잡혀지고, 산소는 솔래노이트 밸브(5a)(5b)(5c)의 동작에 의해 버퍼(Buffer )탱크(6)을 거쳐 B로 빠져나가 분리되어진다.

한편 합성 제올라이트(7)내에 잔존하는 질소, 이산화탄소를 제거시켜 합성 제올라이트를 재생하기 위해서는 솔레노이트 밸브(4c)(4d)의 동작에 의해 진공펌프(2)로서 흡착탑(3)(3')내를 감압시켜 질소, 이산화탄소를 C방향으로 뽑아낸다.

다음은 제3도에 따라 이와 같은 산소발생장치에 이용되는 종래의 합성 제올라이트 제조방법에 대해 설명한다.

제3도에 도시된 제조공정(日本, 吸着 工學 要論, Page 126, 1977)은 1940년대의 Barrer의 연구결과를 모체로 1954년 말 Linde사에 의해 공업용으로 생산이 개시된 것으로서, 크게 구분하여 원료 혼합 단계(I)와 합성 제올라이트 소재의 조립(造立)단계 (II)와 제품화 단계(III)로 대별된다.

원료 혼합 단계(I)에서는 합성 제올라이트 소재의 성분원료인 보오크 사이드와 수산화나트륨, 규산나트륨, 알루민산염을 혼합 반응시켜 겔상태의 제올라이트를 얻고, 조립단계(II)에서는 상기 단계에서 나온 제올라이트 겔을 건조하여 결정화 상태인 제올라이트를 얻게 된다.

이와 같은 단계를 거친 반응과정은 아래와 같다.

(단, a는 수용액을 뜻함이고, a,b,c,x,y,n은 계수임)

상기와 같이 얻어진 결정화 상태의 제올라이트는 제III단계에서 필요에 따라 소성하여 특정형태로 제품화 되거나, 폐쇄, 분급하여 제품화 하게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 제조방법에서는 원하는 특정의 하벙 제올라이트 소재를 얻기 위해 여러 성분의 원료를 혼합시켜 상호 반응에 따른 합성 제올라이트의 결정화를 달성해야 하므로, 각종 원료의 혼합조성비, 반응온도 및 시간 등 제반조건의 조정이 까다롭고 각 단계별 처리를 위한 공정의 복잡화 및 설비의 대용량화가 수반되어야 하는 등의 문제점이 있다.

이에 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 천연 제올라이트를 사용하여 간단한 공정을 통한 약품 및 화성화 처리로서 저렴한 흡착제를 얻고 고효율의 산소를 분리할 수 있는 흡착제를 제공하고자 하는데 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 천연 제올라이트를 분쇄한 다음 강산(HC1 또는 H₂SO₄)의 수용액을 사용하여 불순물을 제거하고 수세, 건조하는 전처리 단계(I)와 염화칼슘(CaCl₂)으로 이온교환처리하는 약품처리단계(II)와 수세, 건조후 활성화시켜주는 활성화 단계(III)와 무기 결합제를 첨가하여 일정형태로 성형한 후 650℃이하로 가열하여 활성화시켜주는 제품화 단계(Ⅳ)로 이루어진다.

제4도는 본 발명의 제조공정도로서, 이에따라 구체적으로 설명한다.

이에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제조방법은 4단계로 구별된다.

전처리 단계(I)로서, 천연의 광물상태로 산출되는 제올라이트를 분쇄한 후 염산(HCl) 또는 황산(H₂SO₄)과 같은 강한 산의 수용액을 사용하여 상온 또는 고온상태에서 처리하여 제올라이트에 존재하는 불순물을 제거한다.

이와 같은 불순물 제거는 차기의 약품처리단계에서의 약품처리가 원활히 이루어지도록 하기 위함이다.

이와 같이 산처리한 후 수세, 건조한다. 약품처리단계(II)로서는, 염화칼슘(CaC l₂)수용액을 사용하여 천연 제올라이트내의 이온교환 가능한 나트륨 이온(Na)의 일부 또는 전부를 칼슘이온(Ca²)으로 치환한다.

이와 같이 전처리단계(I) 및 약품처리단계(II)를 실시한 이유는, 천연 제올라이트는 품질이 불균일하고 불순물이 혼재되어 있어 천연 상태 그대로는 압력차 흡착법(P SA법)에 의한 산소분리용 흡착제로 이용하는 것이 부적절하기 때문에 상기와 같은 단계를 거치는 것이다. 즉, 제올라이트는 일반식이(M¹,M^II1/2)(Al_mSi_nO_2(m+n))ㆍH₂O로 표시되는 함수 알루미나 규산염의 총칭이다.

여기에서 M¹(1가 금속이온)은 나트륨(Na⁺), 리듐(Li⁺), 칼륨(K⁺)등을 나타내며, Md(2가 금속이온)는 칼슘(Ca²⁺), 바륨(Ba²⁺), 스토론듐(Sr²⁺)등을 나타낸다.

천연 제올라이트중 M^I과 M^II은 주로 낱트륨(Na⁺)과 칼슘(Ca²⁺)으로 이루어진다. m,n,x는 각각 계수이다.

따라서, 천연 제올라이트를 압력차 흡착법에 의한 산소분리용 흡착제로서 이용하려면 천연 제올라이트내의 1가 금속이온인 나트륨 이온(Na)의 전부 또는 일부를 칼슘이온(Ca²⁺)으로 치환시켜줌으로서 가능하므로 상기와 같은 전처리 단계(I)를 거친 후 약품처리단계(II)에서 염화칼숨(CaCl₂)수용액을 사용하여 이온 교환단 제올라이트를 얻게 된다.

다음은 활성화 단계(III)로서, 이온교환된 제올라이트를 수세하여 과잉 약품중의 염소이온(C1)을 제거하고, 건조한 후 열분해 온도영역인 650℃이하로 가열소성하여 활성화시킨다.

이어서 제품화 단계(Ⅳ)로서, 활성화한 제올라이트에 무기결합제인 카올린을 제올라이트 중량 대비5∼20%중량을 첨가하여 습시기 혼합하고 특정의 형상으로 성형한뒤 다시 650℃이하에서 가열소성하여 활성화시킴으로서 본 발명이 완성된다.

다음의 실시예를 통하여 설명한다.

[실시예1]

천연 제올라이트로서, 모데나이트(MORDENITE)계 제올라이트를 약 50mesh 정도로 분쇄하여 전처리 단계(I)로서 염산(HCl)으로 처리한 후 천연 제올라이트중의 불순물을 제거하였다.

이때 제올라이트는 내산성이 크기 때문에 신성도를 증가시켜도 제올라이트 자체의 구조파괴는 일어나지 않지만 1∼3몰 농도의 염산(HCl)으로 산온 상태에서 처리함이 바람직하다.

산처리가 끝난 다음 수세, 건조하고 약품처리단계(II)로서, 0.1∼0.2몰 농도의 염화칼슘(CaCl₂)을 가하여 60∼80℃에서 5∼6시간 교반하여 이온교환된 개질체 제올라이트를 얻었다.

이때 약품처리단계(II)에서의 이온 교정과정은 1회 또는 수회에 걸쳐 반복하는 것도 가능하다.

다음은 활성화 단계(III)로서, 이온 교환된 제올라이트를 수세하여 염소이온을 제거하고 100℃로 건조한 다음650℃이하에서 가열소성하여 활성화시켰다.

그리고 제품화 단계(Ⅳ)로서, 무기계 결합제인 카올린을 제올라이트 중량 대비5∼20중량% 첨가하여 성형한 다음 다시650℃이하에서 가열소성하여 활성화 시켰다.

이와 같이 제조하여 얻어진 흡착제의 성능 평가를 위해 B,E,T법으로서 20℃, 760mmHg 상태에서 질소(N₂)와 산소 (O₂)의 흡착량을 측정하였든바, 그 결과는 (표1)과 같이 나타났다.

[표 1]

상기 표에 나타난 바와 같이, 본 발명품은 본 발명품의 출발원료인 비교예 A(모데나이트계 제올라이트)와 비교하여 흡착비(N₂/O₂)가 증가하였고, 시판중인 비교예 B(유니온 카바이드사의 합성 제올라이트로서 MSZ-5A)인 N₂와 O₂의 흡착용량이 각각 10.9, 3.2(N₂/O₂=3.4)의 경우와 비교하여도 거의 대등수준의 흡착비를 갖게 되었다. 또한 흡착탑의 크기 5.4㎝(ψ)×15㎝(L), 압력3㎏/㎠, 절환시간 20sec로 구성도니 압력차 흡착법에 의한 2탑식 산소발생장치를 이용하여 산소분리농도 성능평가를 측정하였는바 제5도와 같은 결과를 얻었다.

이에 나타난 바와 같이, 본 발명은 비교예 A(출발 원료인 모데나이트계 제올라이트)에 비해 산소분리 성능이 월등히 우수하였고, 비교예 B(유니온 카바이드사의 MSZ-5A)와 비교하여도 거의 대등한 수준의 성능을 나타내었다.

여기에서 점선으로 표시한 것은 대기중의 정상적인 산소농도(20.9%)를 나타낸 것이다.

이상에서와 같이, 산소발생기 또는 산소발생장치에 얻고 있는바, 종래의 합성 제올라이트 흡착제에 비해 저렴하면서도 성능에서도 대응하고, 또한 소규모의 장치로서도 제조가능하여 공기 청정기 또는 에어콘의 공조용 산소발생기 또는 의료용 산소발생기 등에 널리 적용할 수 있다.

Claims (2)

1. 합성 제올라이트를 염화칼슘(CaCl₂)으로 이온 교환처리하는 것에 있어서, 합성 제올라이트 대신 출발 원료로서 모데나이트(mordenite)계 광물인 천연 제올라이트를 분해한 후 강산(HCl 또는 H₂SO₄)처리하고, 수세, 건조하는 전처리 단계(I)와, 염화칼슘(CaCl₂)으로 이온 교환처리하는 약품처리 단계(II)와, 수세, 건조 후 650℃이하에서 소성하여 활성화시키는 활성화 단계(III)와, 무기 lruf합제로서 카올린을 첨가하여 성형한 후 다시 650℃이하에서 소성하여 활성화시키는 제품화 단계(Ⅳ)로 이루어짐을 특징으로 하는 산소발생기용 흡착제의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 강산이 1∼3몰 농도임을 특징으로 하는 산소발생기용 흡착제의 제조방법.