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4Å 크기의 기공을 갖는 기체 분리용 제올라이트 무기막의 제조방법

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2016-01-28 (목) 17:15 조회 : 2296

본 발명은 (a) 규산나트륨(Sodium silicate, Na2SiO3)과 알루민산나트륨(Sodium aluminate, NaAlO2)을 세라믹으로 구성된 기판의 양면에 각각 독립적으로 접촉시키는 접촉단계; (b) 상기 세라믹으로 구성된 기판의 양면에 접촉된 규산나트륨과 알루민산나트륨이 기판의 표면으로부터 기판의 내부로 각각 침투해 들어가는 침투단계; (c) 상기 기판의 내부에 침투된 규산나트륨과 알루민산나트륨이 반응하여 알루민산규산 나트륨(Sodium aluminosilicate)의 비정질 결정을 형성하는 단계; (d) 상기 알루민산규산 나트륨(Sodium aluminosilicate)의 비정질 결정을 가열하여 성장시키는 가열단계; (e) 상기 기판의 내부의 비정질의 알루민산규산 나트륨 이외의 부산물 또는 잔류의 미반응 규산나트륨 및 알루민산나트륨을 제거하는 세척단계; 및 (f) 상기 기판 내부에 포함된 수분을 제거하는 건조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 내부에 4Å 크기의 기공을 갖는 기체 분리용 제올라이트 무기막의 제조방법에 관한 것이다.

 

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배경기술


지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 회수하는 분리 회수 및 저장(Carbon Capture and Sequestration, CCS)기술의 중요성은 날로 커지고 있는 실정이다. 이런 이유로 분리막 제조 및 공정기술은 고순도, 고기능성 물질의 제조와 지구 환경보호 등의 사회적 요구에 따라 간단한 실험실적 규모로부터 산업분야의 대규모 고정에 이르기 까지 광범위하게 응용되고 있다.


막분리 공정은 기화 및 응축을 반복하는 증류공정과는 달리 상변화를 필요로 하지 않는 물리, 기계적인 분리조작이므로 기존의 에너지 다소비형 공정과 비교하여 약 70 내지 80 % 또는 그 이상까지도 에너지를 절약할 수 있다고 보고하고 있다.
또한 분리 원리 및 공정이 비교적 간단하므로 장치의 구성이나 설치가 간단하고 차지하는 공간 역시 작은 규모임에 따라 시설비 투자를 줄일 수 있는 장점이 있다.
이러한 막분리 기술은 첨단 막소재를 개발하는 고분자 합성 등의 소재, 제막기술, 각각의 분리막을 조립하여 손쉽게 취급할 수 있도록 만드는 막모듈 기술, 여과분리 특성상 막 근방에서 불가피하게 발생하는 막오염 저항을 최소화하기 위한 물리, 화학, 생물 및 유체역학 분야, 그리고 대규모 공정 시스템 설계 및 운전 등으로 구성되는 복합 응용기술이다. 이와 같이 막분리 기술의 발달과 에너지 절약형 분리공정의 필요성 및 무방류 등의 청정 환경공정 기술에 대한 사회적 필요성의 증대로 인하여, 막분리 공정은 석유화학, 폐기물 처리, 가정용 정수기로부터 대규모 정수장, 반도체, 열적으로 불안정한 식품, 의약품, 바이오 관련 혼합물의 회수 및 정제분야, 수소, 산소를 비롯한 가스분리 분야 등에 광범위하게 확대 적용되고 있다.


분리막의 재질은 매우 다양하지만 생체막과 합성막으로 크게 구분할 수 있다. 생체막은 생체에 존재하고 있는 막을 의미하며, 사람의 눈에 있는 각막 또는 방광막 등과 같이 생체 부위의 명칭이 붙어 있지만, 이들을 총칭하여 생체막이라 부른다.
그러나 생체막은 대량으로 확보하기 어렵고 모듈화하기 또한 쉽지 않기 때문에 공업적으로는 거의 대부분 합성막을 사용하고 있다.
합성막은 유기막과 무기막으로 구분될 수 있으며, 유기막(Organic membrane)은 대부분 고분자로 이루어져 있어 고분자막(Polymeric membrane)이라고도 하며, 무기막에는 세라믹, 유리, 금속 재질 등이 소재로 사용된다.

 

멤브레인(Membrane) 중 기체 분리막의 원리를 살펴보면 분리막을 이용한 기체 분리는 분리막에 대한 선택적인 가스투과원리에 의하여 진행되며, 기체혼합물이 막 표면에 접촉하였을 때 기체성분은 막 속으로 용해, 확산하게 되는데 이 때 각각의 기체성분의 용해도와 투과도는 분리박 소재에 따라서 서로 다르게 나타나게 된다.


일반적인 상업화 분리막 소재로서 고분자소재인 폴리설폰(Polysulfon)이 사용되고 있으며, 폴리설폰의 고분자 소재는 기체에 대한 상대적인 투과속도에 따라 고분자 막을 이용하여 혼합된 가스를 분리할 수 있는 기본적인 이유가 된다.
이 중 공기 중에서 대부분을 차지하고 있는 산소와 질소의 경우 산소의 투과속도가 질소보다 빠른 특성을 이용하여 질소를 분리, 농축시킬수 있으며, 기체 분리막의 제조에 있어서 고유의 선택도와 투과도의 성능을 이용하여 다양한 응용에 적용할 수 있는 기체 분리용 고분자 소재로 이용될 수 있으나 고분자소재의 분리막은 유기물로 구성됨에 따라 내구성, 내열성 및 화학적 안정성이 매우 미흡하여 한정적인 선택 투과분리에만 적용되고 있는 상황이라 할 수 있다.
따라서 다양한 구조를 가지는 많은 다공성 세라믹 재료 중에서 나노 또는 그 이하의 세공 크기를 가지는 세라믹 박막은 원하는 분자를 크기에 따라 선택적으로 투과하는 기체 분리용 막(Membrane)으로 적용될 수 있을 뿐만 아니라 내열성, 화학적 안전성, 기계적 물성 등이 유기 고분자 막보다 월등히 우수하기 때문에 이를 위하여 고온, 고압의 부식성 분위기에서 선택적 투과를 위한 다양한 무기소재의 기체 분리막 개발이 필요하다 할 수 있다.


상기에서 살펴본 바와 같이 지금까지 연구, 개발된 기체 분리용 제올라이트 무기막들은 세라믹 기판위에 단독의 무기산화물 내지는 유-무기물로 구성된 하이브리드형의 무기막으로 구성됨에 따라 미세기공의 무기막을 균일하게 제공하면서 결합력이 우수한 무기막(inorganic thin film)으로 구성된 멤브레인을 제공하는데 많은 어려움이 있을 뿐만 아니라 유-무기물로 구성 된 하이브리드형의 무기막인 경우 화학반응/기체 분리가 동시에 진행이 되면서 높은 온도가 필요로 하는 분야에는 유기물이 열원에 의해 매우 취약해진다는 특성에 따라 유용한 기체 분리용의 멤브레인을 제공할 수 없다는 문제점이 있다.


문제점


본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미세기공의 무기막을 균일하게 제공하면서 결합력이 우수한 무기막(inorganic thin film)으로 구성된 멤브레인을 제공하고, 화학반응/기체 분리가 동시에 진행이 되면서 높은 온도가 필요로 하는 경우에도 열원에 의해 매우 취약해지지 않는 기판 내부에 4Å 크기의 기공을 갖는 기체 분리용 제올라이트 무기막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.


해결과제


본 발명은 (a) 액상의 규산나트륨(Sodium silicate)과 액상의 알루민산나트륨(Sodium aluminate, NaAlO₂)을 세라믹으로 구성된 기판의 양면에 각각 독립적으로 접촉시키는 접촉단계; (b) 상기 세라믹으로 구성된 기판의 양면에 각각 접촉된 상기 액상의 규산나트륨과 액상의 알루민산나트륨이 기판의 표면으로부터 기판의 내부로 침투해 들어가는 침투단계; (c) 상기 기판의 내부에 침투된 규산나트륨과 알루민산나트륨이 반응하여 알루민산규산 나트륨(Sodium aluminosilicate)의 비정질 결정을 형성하는 단계; (d) 상기 알루민산규산 나트륨(Sodium aluminosilicate)의 비정질 결정을 가열하여 결정을 성장시키는 가열단계; (e) 상기 기판의 내부의에 생성된 비정질의 알루민산규산 나트륨 이외의 부산물 또는 잔류의 미반응 규산
나트륨 및 알루민산나트륨을 제거하는 세척단계; 및 (f) 상기 기판 내부에 포함된 수분을 제거하는 건조단계를 포함하는 기판내부에 4Å 크기의 기공을 갖는 기체 분리용 제올라이트 무기막의 제조방법을 제공한다.또한, 본 발명은 상기의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 기판 내부에 4Å 크기의 기공을 갖는 기체 분리용 제올라이트 무기막을 제공한다.


효과


본 발명에 따른 4Å 크기의 기공을 갖는 기체 분리용 제올라이트 무기막의 제조방법에 의하여 제조된 기체 분리용 제올라이트 무기막은 세라믹 기판 내부의 결정입계에 4Å의 기공을 갖도록 4A-제올라이트가 포함되므로 화학반응/기체 분리가 동시에 진행이 되면서 높은 온도가 필요로 하는 분야에 이용될 수 있으며, 열원에 매우 취약한 종래의 고분자 멤브레인의 문제점을 완전히 극복할 수 있을 뿐만 아니라 4Å의 기공크기를 갖는 제올라이트가 세라믹 기판 내부에 제공됨에 따라 취급상 부주의에 의한 막의 손상이나 파손 등의 큰 문제가 발생치 않으면서 장기적으로 기체의 선택적 분리효율을 극대화할 수 있는 효과를 제공한다.


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